嵌入式Linux：進(jìn)程間通信機(jī)制

電子設(shè)計(jì)聯(lián)盟 · 發(fā)表于 2024-12-10 08:00:00

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1.1、UNIX IPC
UNIX 傳統(tǒng)的 IPC 機(jī)制包括管道、FIFO 和信號(hào)，這些機(jī)制最早由 UNIX 系統(tǒng)引入，適用于簡(jiǎn)單的單機(jī)進(jìn)程間通信。

管道（Pipe）：
一種單向、半雙工的通信機(jī)制，通常用于父子進(jìn)程間的數(shù)據(jù)傳遞。
父進(jìn)程可以寫入數(shù)據(jù)，子進(jìn)程可以讀取。

FIFO（命名管道）：
類似于管道，但通過(guò)文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，任何進(jìn)程都可以通過(guò)路徑訪問(wèn)該管道，實(shí)現(xiàn)雙向通信。

信號(hào)（Signal）：
信號(hào)是一種用于進(jìn)程間異步通知的機(jī)制，可以用于進(jìn)程之間的簡(jiǎn)單通信或事件通知，例如 SIGINT（Ctrl+C 發(fā)送的中斷信號(hào)）。

1.2、System V IPC
System V IPC 是 UNIX 的增強(qiáng)版本，主要包括信號(hào)量、消息隊(duì)列和共享內(nèi)存，適合需要更復(fù)雜的進(jìn)程同步與數(shù)據(jù)共享的場(chǎng)景。

信號(hào)量（Semaphore）：
用于進(jìn)程間的同步，通常用于控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)。
信號(hào)量用于防止多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)同一資源，避免資源爭(zhēng)用問(wèn)題。

消息隊(duì)列（Message Queue）：
允許進(jìn)程以消息的形式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
消息隊(duì)列是一種先進(jìn)先出（FIFO）的結(jié)構(gòu)，支持不同類型的消息，使得進(jìn)程可以基于消息類型進(jìn)行處理。

共享內(nèi)存（Shared Memory）：
進(jìn)程之間共享同一塊內(nèi)存區(qū)域，允許它們直接讀寫數(shù)據(jù)。
這是最有效的 IPC 方式，因?yàn)閿?shù)據(jù)不需要在進(jìn)程之間復(fù)制。

1.3、POSIX IPC
POSIX IPC 是 System V IPC 的改進(jìn)版本，旨在解決 System V IPC 在靈活性和可移植性上的一些不足。

POSIX 標(biāo)準(zhǔn)為 UNIX 系統(tǒng)間的兼容性提供了統(tǒng)一的接口，使得程序可以更方便地在不同的 UNIX 系統(tǒng)間移植。

POSIX 信號(hào)量：
與 System V 信號(hào)量類似，用于進(jìn)程同步，但提供了更靈活的接口和更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性支持。

POSIX 消息隊(duì)列：
改進(jìn)了 System V 消息隊(duì)列，允許指定消息的優(yōu)先級(jí)，并提供更簡(jiǎn)單的接口。

POSIX 共享內(nèi)存：
與 System V 共享內(nèi)存類似，但具有更好的兼容性和可移植性，接口設(shè)計(jì)更加現(xiàn)代化。

1.4、套接字（Socket）通信
套接字是一種既可以用于本地進(jìn)程間通信，也可以用于網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)制，支持雙向數(shù)據(jù)傳輸。

基于套接字的 IPC 可以實(shí)現(xiàn)非常靈活的通信模式，例如客戶端-服務(wù)器架構(gòu)，適合在多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間傳遞數(shù)據(jù)。

各類 IPC 機(jī)制的對(duì)比和應(yīng)用場(chǎng)景：

2
管道（Pipe）
管道是一種半雙工（單向）的通信方式，通常用于父子進(jìn)程之間的通信。一個(gè)進(jìn)程可以向管道寫入數(shù)據(jù)，另一個(gè)進(jìn)程從管道讀取數(shù)據(jù)。

Linux 提供了無(wú)名管道和命名管道兩種類型。

無(wú)名管道（Anonymous Pipe）：
只能在具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間使用，比如父進(jìn)程和子進(jìn)程。

命名管道（Named Pipe 或 FIFO）：
通過(guò)文件系統(tǒng)中的路徑來(lái)創(chuàng)建，任意進(jìn)程都可以訪問(wèn)。
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示例：

int main() { int fd[2]; pipe(fd); // 創(chuàng)建無(wú)名管道
if (fork() == 0) { // 子進(jìn)程 close(fd[0]); // 關(guān)閉讀取端 write(fd[1], "Hello, parent!", 15); close(fd[1]); } else { // 父進(jìn)程 char buffer[20]; close(fd[1]); // 關(guān)閉寫入端 read(fd[0], buffer, sizeof(buffer)); printf("Received: %s
", buffer); close(fd[0]); } return 0;}
3
消息隊(duì)列（Message Queue）
消息隊(duì)列是一種先進(jìn)先出的隊(duì)列，允許進(jìn)程以消息的形式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

消息隊(duì)列可以支持多種類型的消息，通過(guò)消息類型實(shí)現(xiàn)多種目的的通信。

示例：進(jìn)程A可以向隊(duì)列發(fā)送一個(gè)帶有特定類型的消息，而進(jìn)程B可以根據(jù)消息類型進(jìn)行處理。

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; // 消息類型 snprintf(message.mtext, sizeof(message.mtext), "Hello Message Queue"); msgsnd(msgid, &message, sizeof(message.mtext), 0);
return 0;}
4
共享內(nèi)存（Shared Memory）
共享內(nèi)存是最快的 IPC 機(jī)制之一，因?yàn)檫M(jìn)程之間直接訪問(wèn)同一塊內(nèi)存區(qū)域，而不需要拷貝數(shù)據(jù)。

通常使用 shmget()、shmat() 和 shmdt() 函數(shù)進(jìn)行共享內(nèi)存的創(chuàng)建和訪問(wèn)。

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
信號(hào)量（Semaphore）
信號(hào)量是一種用于進(jìn)程同步的機(jī)制，通常用于控制多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問(wèn)。

嵌入式系統(tǒng)中，信號(hào)量通常用來(lái)避免多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)同一資源，防止數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。

示例：信號(hào)量可以通過(guò) semget() 和 semop() 函數(shù)來(lái)操作，用于鎖定或解鎖資源。

int main() { key_t key = ftok("semfile",65); int semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT); struct sembuf sem_lock = {0, -1, 0}; // 減1操作 struct sembuf sem_unlock = {0, 1, 0}; // 加1操作
semop(semid, &sem_lock, 1); // 上鎖 printf("Critical section
"); semop(semid, &sem_unlock, 1); // 解鎖
return 0;}
6
套接字（Socket）
套接字不僅支持本地進(jìn)程間通信，還可以用于網(wǎng)絡(luò)通信。

基于套接字的 IPC 支持雙向通信，比較靈活，適合嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)程之間需要頻繁且復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互的情況。

示例：

int main() { int sv[2]; socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sv);
if (fork() == 0) { // 子進(jìn)程 close(sv[0]); write(sv[1], "Hello from child", 16); close(sv[1]); } else { // 父進(jìn)程 char buffer[20]; close(sv[1]); read(sv[0], buffer, sizeof(buffer)); printf("Received: %s
", buffer); close(sv[0]); } return 0;}
7
信號(hào)（Signal）
信號(hào)是用來(lái)通知進(jìn)程發(fā)生某種事件的機(jī)制。進(jìn)程可以捕獲、忽略或處理信號(hào)，典型的信號(hào)包括 SIGINT（中斷信號(hào)）和 SIGKILL（殺死進(jìn)程信號(hào)）。

示例：處理 SIGINT 信號(hào)（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;}
進(jìn)程間通信的機(jī)制多種多樣，選擇合適的方式取決于應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

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