嵌入式Linux：进程间通信机制
目录
1、进程间通信机制
1.1、UNIX IPC
1.2、System V IPC
1.3、POSIX IPC
1.4、套接字（Socket）通信
2、管道（Pipe）
3、消息队列（Message Queue）
5、信号量（Semaphore）
6、套接字（Socket）
7、信号（Signal）
进程间通信（Interprocess Communication，简称 IPC）是指多个进程之间相互交换数据、共享信息或同步操作的过程。由于每个进程都有自己独立的地址空间，不像线程共享同一地址空间，进程之间的通信需要特定的机制。单个进程内部的模块（如函数）之间的通信相对简单，可以通过全局变量、参数传递等方式实现，但进程间通信相对复杂，因为不同进程彼此隔离，不共享内存。
虽然大多数普通应用程序是单进程、多线程的，不需要进程间通信的复杂性，但在一些复杂或大型应用中，尤其是服务器或图形用户界面（GUI）程序，可能会使用多进程架构来提升性能或简化设计。这种情况下，IPC 机制就变得非常重要。
1、进程间通信机制
Linux 系统继承了 UNIX 系统的丰富 IPC 机制，并对其进行了扩展和改进。UNIX 系统的进程间通信大致可以分为两大流派：
- System V IPC（由 AT&T 贝尔实验室主导发展）：改进了 UNIX 早期的进程间通信手段，形成了适用于单台计算机的 IPC 机制，主要包括信号量、消息队列和共享内存。
- BSD 套接字通信（由加州大学伯克利分校主导发展）：BSD 在网络通信和分布式系统方面做出了重要贡献，跳出了进程间通信局限于单个计算机的限制，形成了基于套接字（Socket）的通信机制，广泛用于网络应用程序。
Linux 将这两大体系都继承了下来，并在此基础上发展了 POSIX IPC。POSIX（Portable Operating System Interface for Unix）标准化了多种 UNIX 系统功能，包括进程间通信，弥补了 System V IPC 的一些不足。
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：
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。
示例：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>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\n", 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。
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>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：
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>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\n", 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。
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>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\n");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：
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>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\n", 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）。
#include <signal.h>
#include <stdio.h>void sigint_handler(int sig) {printf("Caught signal %d\n", sig);
}int main() {signal(SIGINT, sigint_handler);while (1) {printf("Running...\n");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。