Linux進程間通信機制：如何實現數據交換

在Linux系統中，進程間通信（IPC）是指在不同進程之間傳遞和共享數據的方法。有多種IPC機制可供選擇，每種機制都有其優缺點。以下是一些常見的Linux IPC機制及其實現數據交換的方法：

1. 管道（Pipes）

管道是一種半雙工的通信方式，通常用于父子進程之間的通信。

匿名管道（Anonymous Pipes）

匿名管道通過pipe()系統調用創建，返回兩個文件描述符，一個用于讀，一個用于寫。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int pipefd[2];
    char buffer[10];

    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        return 1;
    }

    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        return 1;
    }

    if (pid == 0) { // 子進程
        close(pipefd[1]); // 關閉寫端
        read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));
        printf("Child received: %s\n", buffer);
        close(pipefd[0]);
    } else { // 父進程
        close(pipefd[0]); // 關閉讀端
        write(pipefd[1], "Hello from parent", 20);
        close(pipefd[1]);
    }

    return 0;
}

命名管道（Named Pipes, FIFOs）

命名管道通過mkfifo()系統調用創建，可以在不相關的進程之間進行通信。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    const char *fifo_name = "/tmp/myfifo";
    mkfifo(fifo_name, 0666);

    int fd = open(fifo_name, O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    char buffer[10];
    read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    printf("Received: %s\n", buffer);

    char *message = "Hello from FIFO";
    write(fd, message, strlen(message) + 1);

    close(fd);
    unlink(fifo_name);

    return 0;
}

2. 消息隊列（Message Queues）

消息隊列允許進程以消息的形式發送和接收數據。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

struct msg_buffer {
    long msg_type;
    char msg_text[100];
};

int main() {
    key_t key = ftok("msgqueue.c", 65);
    int msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT);

    struct msg_buffer message;
    message.msg_type = 1;
    strcpy(message.msg_text, "Hello from message queue");

    msgsnd(msgid, &message, sizeof(message.msg_text), 0);

    msgrcv(msgid, &message, sizeof(message.msg_text), 1, 0);
    printf("Received: %s\n", message.msg_text);

    msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);

    return 0;
}

3. 共享內存（Shared Memory）

共享內存是最快的IPC機制之一，因為它避免了數據的復制。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>

int main() {
    key_t key = ftok("shmfile.c", 65);
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666 | IPC_CREAT);

    char *str = (char *) shmat(shmid, (void *)0, 0);
    if (str == (char *)(-1)) {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }

    strcpy(str, "Hello from shared memory");

    printf("String written to shared memory is: %s\n", str);

    shmdt(str);

    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

    return 0;
}

4. 信號（Signals）

信號用于通知接收進程某個事件已經發生。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void signal_handler(int signum) {
    printf("Interrupt received, signal number: %d\n", signum);
}

int main() {
    signal(SIGINT, signal_handler);

    printf("Waiting for a signal...\n");
    while (1) {
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

5. 套接字（Sockets）

套接字是一種通用的IPC機制，不僅限于本地進程間通信，還可以用于網絡通信。

Unix Domain Sockets

Unix域套接字用于本地進程間通信。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_un addr;
    char buffer[1024];

    sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket");
        return 1;
    }

    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(addr.sun_path, "/tmp/uds.sock", sizeof(addr.sun_path) - 1);

    unlink("/tmp/uds.sock");
    bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

    listen(sockfd, 5);
    int newsockfd = accept(sockfd, NULL, NULL);
    if (newsockfd == -1) {
        perror("accept");
        return 1;
    }

    read(newsockfd, buffer, sizeof(buffer));
    printf("Received: %s\n", buffer);

    close(newsockfd);
    close(sockfd);

    return 0;
}

每種IPC機制都有其適用的場景和優缺點。選擇合適的IPC機制取決于具體的應用需求，例如數據量大小、實時性要求、安全性等。