嵌入式Linux：进程间通信机制

电子设计联盟 · 发表于 2024-12-10 08:00:00

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1.1、UNIX IPC
UNIX 传统的 IPC 机制包括管道、FIFO 和信号，这些机制最早由 UNIX 系统引入，适用于简单的单机进程间通信。

管道（Pipe）：
一种单向、半双工的通信机制，通常用于父子进程间的数据传递。
父进程可以写入数据，子进程可以读取。

FIFO（命名管道）：
类似于管道，但通过文件系统实现，任何进程都可以通过路径访问该管道，实现双向通信。

信号（Signal）：
信号是一种用于进程间异步通知的机制，可以用于进程之间的简单通信或事件通知，例如 SIGINT（Ctrl+C 发送的中断信号）。

1.2、System V IPC
System V IPC 是 UNIX 的增强版本，主要包括信号量、消息队列和共享内存，适合需要更复杂的进程同步与数据共享的场景。

信号量（Semaphore）：
用于进程间的同步，通常用于控制对共享资源的访问。
信号量用于防止多个进程同时访问同一资源，避免资源争用问题。

消息队列（Message Queue）：
允许进程以消息的形式发送和接收数据。
消息队列是一种先进先出（FIFO）的结构，支持不同类型的消息，使得进程可以基于消息类型进行处理。

共享内存（Shared Memory）：
进程之间共享同一块内存区域，允许它们直接读写数据。
这是最有效的 IPC 方式，因为数据不需要在进程之间复制。

1.3、POSIX IPC
POSIX IPC 是 System V IPC 的改进版本，旨在解决 System V IPC 在灵活性和可移植性上的一些不足。

POSIX 标准为 UNIX 系统间的兼容性提供了统一的接口，使得程序可以更方便地在不同的 UNIX 系统间移植。

POSIX 信号量：
与 System V 信号量类似，用于进程同步，但提供了更灵活的接口和更强的实时性支持。

POSIX 消息队列：
改进了 System V 消息队列，允许指定消息的优先级，并提供更简单的接口。

POSIX 共享内存：
与 System V 共享内存类似，但具有更好的兼容性和可移植性，接口设计更加现代化。

1.4、套接字（Socket）通信
套接字是一种既可以用于本地进程间通信，也可以用于网络通信的机制，支持双向数据传输。

基于套接字的 IPC 可以实现非常灵活的通信模式，例如客户端-服务器架构，适合在多台计算机之间传递数据。

各类 IPC 机制的对比和应用场景：

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2
管道（Pipe）
管道是一种半双工（单向）的通信方式，通常用于父子进程之间的通信。一个进程可以向管道写入数据，另一个进程从管道读取数据。

Linux 提供了无名管道和命名管道两种类型。

无名管道（Anonymous Pipe）：
只能在具有亲缘关系的进程间使用，比如父进程和子进程。

命名管道（Named Pipe 或 FIFO）：
通过文件系统中的路径来创建，任意进程都可以访问。

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示例：

int main() { int fd[2]; pipe(fd); // 创建无名管道
if (fork() == 0) { // 子进程 close(fd[0]); // 关闭读取端 write(fd[1], "Hello, parent!", 15); close(fd[1]); } else { // 父进程 char buffer[20]; close(fd[1]); // 关闭写入端 read(fd[0], buffer, sizeof(buffer)); printf("Received: %s
", buffer); close(fd[0]); } return 0;}
3
消息队列（Message Queue）
消息队列是一种先进先出的队列，允许进程以消息的形式发送和接收数据。

消息队列可以支持多种类型的消息，通过消息类型实现多种目的的通信。

示例：进程A可以向队列发送一个带有特定类型的消息，而进程B可以根据消息类型进行处理。

struct msgbuf { long mtype; char mtext[100];};
int main() { key_t key = ftok("msgqueue", 65); int msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT); struct msgbuf message;
message.mtype = 1; // 消息类型 snprintf(message.mtext, sizeof(message.mtext), "Hello Message Queue"); msgsnd(msgid, &message, sizeof(message.mtext), 0);
return 0;}
4
共享内存（Shared Memory）
共享内存是最快的 IPC 机制之一，因为进程之间直接访问同一块内存区域，而不需要拷贝数据。

通常使用 shmget()、shmat() 和 shmdt() 函数进行共享内存的创建和访问。

示例：

int main() { key_t key = ftok("shmfile",65); int shmid = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT); char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0);
strcpy(str, "Hello Shared Memory");
printf("Data written in memory: %s
", str); shmdt(str);
return 0;}
5
信号量（Semaphore）
信号量是一种用于进程同步的机制，通常用于控制多个进程对共享资源的访问。

嵌入式系统中，信号量通常用来避免多个进程同时访问同一资源，防止数据竞争。

示例：信号量可以通过 semget() 和 semop() 函数来操作，用于锁定或解锁资源。

int main() { key_t key = ftok("semfile",65); int semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT); struct sembuf sem_lock = {0, -1, 0}; // 减1操作 struct sembuf sem_unlock = {0, 1, 0}; // 加1操作
semop(semid, &sem_lock, 1); // 上锁 printf("Critical section
"); semop(semid, &sem_unlock, 1); // 解锁
return 0;}
6
套接字（Socket）
套接字不仅支持本地进程间通信，还可以用于网络通信。

基于套接字的 IPC 支持双向通信，比较灵活，适合嵌入式系统中进程之间需要频繁且复杂的数据交互的情况。

示例：

int main() { int sv[2]; socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sv);
if (fork() == 0) { // 子进程 close(sv[0]); write(sv[1], "Hello from child", 16); close(sv[1]); } else { // 父进程 char buffer[20]; close(sv[1]); read(sv[0], buffer, sizeof(buffer)); printf("Received: %s
", buffer); close(sv[0]); } return 0;}
7
信号（Signal）
信号是用来通知进程发生某种事件的机制。进程可以捕获、忽略或处理信号，典型的信号包括 SIGINT（中断信号）和 SIGKILL（杀死进程信号）。

示例：处理 SIGINT 信号（Ctrl+C）。

void sigint_handler(int sig) { printf("Caught signal %d
", sig);}
int main() { signal(SIGINT, sigint_handler); while (1) { printf("Running...
"); sleep(1); } return 0;}
进程间通信的机制多种多样，选择合适的方式取决于应用场景的需求。

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