Linux的进程/线程间通信方式总结 04

Linux系统中的进程通信方式主要以下几种:

同一主机上的进程通信方式

   * UNIX进程间通信方式: 包括管道(PIPE), 有名管道(FIFO), 和信号(Signal)

   * System V进程通信方式：包括信号量(Semaphore), 消息队列(Message Queue), 和共享内存(Shared Memory)

网络主机间的进程通信方式

   * RPC: Remote Procedure Call 远程过程调用

   * Socket: 当前最流行的网络通信方式, 基于TCP/IP协议的通信方式.

 

各自的特点:

管道(PIPE)：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系(父子进程)的进程间使用。另外管道传送的是无格式的字节流，并且管道缓冲区的大小是有限的（管道缓冲区存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）。

有名管道 (FIFO)： 有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

信号(Signal)： 信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

信号量(Semaphore)：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

消息队列(Message Queue)：消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

共享内存(Shared Memory )：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量，配合使用，来实现进程间的同步和通信。

套接字(Socket)： 套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同主机间的进程通信。

 

Linux系统中的线程通信方式主要以下几种:

*  锁机制：包括互斥锁、条件变量、读写锁

   互斥锁提供了以排他方式防止数据结构被并发修改的方法。

   使用条件变量可以以原子的方式阻塞进程，直到某个特定条件为真为止。对条件的测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变量始终与互斥锁一起使用。

   读写锁允许多个线程同时读共享数据，而对写操作是互斥的。

*  信号量机制(Semaphore)：包括无名线程信号量和命名线程信号量

*  信号机制(Signal)：类似进程间的信号处理

 

线程间的通信目的主要是用于线程同步。所以线程没有像进程通信中的用于数据交换的通信机制。

一、什么是信号量
线程的信号量与进程间通信中使用的信号量的概念是一样，它是一种特殊的变量，它可以被增加或减少，但对其的关键访问被保证是原子操作。如果一个程序中有多个线程试图改变一个信号量的值，系统将保证所有的操作都将依次进行。

而只有0和1两种取值的信号量叫做二进制信号量，在这里将重点介绍。而信号量一般常用于保护一段代码，使其每次只被一个执行线程运行。我们可以使用二进制信号量来完成这个工作。

二、信号量的接口和使用

信号量的函数都以sem_开头，线程中使用的基本信号量函数有4个，它们都声明在头文件semaphore.h中。

1、sem_init函数
该函数用于创建信号量，其原型如下：

[cpp]
view plain
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int sem_init(sem_t *sem, int pshared， unsigned int value);  

该函数初始化由sem指向的信号对象，设置它的共享选项，并给它一个初始的整数值。pshared控制信号量的类型，如果其值为0，就表示这个信号量是当前进程的局部信号量，否则信号量就可以在多个进程之间共享，value为sem的初始值。调用成功时返回0，失败返回-1.

2、sem_wait函数
该函数用于以原子操作的方式将信号量的值减1。原子操作就是，如果两个线程企图同时给一个信号量加1或减1，它们之间不会互相干扰。它的原型如下：

[cpp]
view plain
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int sem_wait(sem_t *sem);  

sem指向的对象是由sem_init调用初始化的信号量。调用成功时返回0，失败返回-1.等待信号量，如果信号量的值大于0,将信号量的值减1,立即返回。如果信号量的值为0,则线程阻塞。相当于P操作。成功返回0,失败返回-1。

3、sem_post函数
该函数用于以原子操作的方式将信号量的值加1。它的原型如下：

[cpp]
view plain
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int sem_post(sem_t *sem);  

与sem_wait一样，sem指向的对象是由sem_init调用初始化的信号量。调用成功时返回0，失败返回-1.

4、sem_destroy函数
该函数用于对用完的信号量的清理。它的原型如下：

[cpp]
view plain
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print?





int sem_destroy(sem_t *sem);  

成功时返回0，失败时返回-1.

5.
int sem_trywait(sem_t *sem)
函数 sem_trywait()和sem_wait()有一点不同，即如果信号量的当前值为0，则返回错误而不是阻塞调用。错误值errno设置为EAGAIN。sem_trywait()其实是sem_wait()的非阻塞版本。

[cpp]
view plain
copy
print?





#include <unistd.h>  
#include <pthread.h>  
#include <semaphore.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
  
//线程函数  
void *thread_func(void *msg);  
sem_t sem;//信号量  
  
#define MSG_SIZE 512  
  
int main()  
{  
    int res = -1;  
    pthread_t thread;  
    void *thread_result = NULL;  
    char msg[MSG_SIZE];  
    //初始化信号量，其初值为0  
    res = sem_init(&sem, 0, 0);  
    if(res == -1)  
    {  
        perror("semaphore intitialization failed\n");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    //创建线程，并把msg作为线程函数的参数  
    res = pthread_create(&thread, NULL, thread_func, msg);  
    if(res != 0)  
    {  
        perror("pthread_create failed\n");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    //输入信息，以输入end结束，由于fgets会把回车（\n）也读入，所以判断时就变成了“end\n”  
    printf("Input some text. Enter 'end'to finish...\n");  
    while(strcmp("end\n", msg) != 0)  
    {  
        fgets(msg, MSG_SIZE, stdin);  
        //把信号量加1  
        sem_post(&sem);  
    }  
  
    printf("Waiting for thread to finish...\n");  
    //等待子线程结束  
    res = pthread_join(thread, &thread_result);  
    if(res != 0)  
    {  
        perror("pthread_join failed\n");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    printf("Thread joined\n");  
    //清理信号量  
    sem_destroy(&sem);  
    exit(EXIT_SUCCESS);  
}  
  
void* thread_func(void *msg)  
{  
    //把信号量减1  
    sem_wait(&sem);  
    char *ptr = msg;  
    while(strcmp("end\n", msg) != 0)  
    {  
        int i = 0;  
        //把小写字母变成大写  
        for(; ptr[i] != '\0'; ++i)  
        {  
            if(ptr[i] >= 'a' && ptr[i] <= 'z')  
            {  
                ptr[i] -= 'a' - 'A';  
            }  
        }  
        printf("You input %d characters\n", i-1);  
        printf("To Uppercase: %s\n", ptr);  
        //把信号量减1  
        sem_wait(&sem);  
    }  
    //退出线程  
    pthread_exit(NULL);  
}