C++如何在Linux中實現進程間通信

在Linux中，有多種方法可以實現進程間通信（IPC）。以下是一些常用的IPC機制：

1. 管道（Pipes）:

   • 匿名管道（Anonymous Pipes）: 通常用于父子進程之間的通信。
   • 命名管道（Named Pipes, FIFOs）: 允許不相關的進程之間進行通信。

2. 信號（Signals）:

   • 用于通知接收進程某個事件已經發生。

3. 消息隊列（Message Queues）:

   • 允許進程發送和接收消息。

4. 共享內存（Shared Memory）:

   • 允許多個進程訪問同一塊物理內存。

5. 信號量（Semaphores）:

   • 用于進程同步，控制多個進程對共享資源的訪問。

6. 套接字（Sockets）:

   • 可用于不同機器間的進程通信，也可以用于同一臺機器上的進程通信。

下面是一些簡單的示例代碼，展示了如何在Linux中使用這些IPC機制：

匿名管道

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>

int main() {
    int pipefd[2];
    pid_t pid;
    char buffer[256];

    // 創建管道
    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 創建子進程
    pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (pid > 0) { // 父進程
        close(pipefd[0]); // 關閉讀端
        const char* message = "Hello from parent!";
        write(pipefd[1], message, strlen(message) + 1); // 寫入數據
        close(pipefd[1]); // 關閉寫端
        wait(NULL); // 等待子進程結束
    } else { // 子進程
        close(pipefd[1]); // 關閉寫端
        read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer)); // 讀取數據
        std::cout << "Child received: " << buffer << std::endl;
        close(pipefd[0]); // 關閉讀端
    }

    return 0;
}

命名管道（FIFO）

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

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

    int fd = open(fifo, O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

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

    char buffer[256];
    read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    std::cout << "Received: " << buffer << std::endl;

    close(fd);
    unlink(fifo);

    return 0;
}

共享內存

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <iostream>
#include <cstring>

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!");
    std::cout << "String in memory: " << str << std::endl;

    shmdt(str);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

    return 0;
}

信號量

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <iostream>

union semun {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
};

int main() {
    key_t key = ftok("semfile", 65);
    int semid = semget(key, 1, 0666|IPC_CREAT);

    union semun arg;
    arg.val = 1; // 初始化信號量為1
    semctl(semid, 0, SETVAL, arg);

    // 使用信號量進行P操作（等待）
    struct sembuf sb = {0, -1, SEM_UNDO};
    semop(semid, &sb, 1);

    std::cout << "Semaphore value after P operation: " << semctl(semid, 0, GETVAL, arg) << std::endl;

    // 使用信號量進行V操作（釋放）
    sb.sem_op = 1;
    semop(semid, &sb, 1);

    semctl(semid, 0, IPC_RMID, arg);

    return 0;
}

套接字

// 這是一個簡單的TCP套接字示例，包括服務器和客戶端代碼。

// 服務器端
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[1024] = {0};

    // 創建套接字文件描述符
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 強制綁定
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(8080);

    // 綁定套接字到地址
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 監聽連接
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 接受連接
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
        perror("accept");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 讀取數據
    read(new_socket, buffer, 1024);
    std::cout << "Message from client: " << buffer << std::endl;

    // 發送響應
    send(new_socket, "Hello from server", 17, 0);
    std::cout << "Hello message sent\n";

    close(new_socket);
    close(server_fd);

    return 0;
}

// 客戶端
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>

int main() {
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char *hello = "Hello from client";
    char buffer[1024] = {0};

    // 創建套接字文件描述符
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        std::cout << "
 Socket creation error 
";
        return -1;
    }

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(8080);

    // 將IPv4地址從文本轉換為二進制形式
    if(inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        std::cout << "
Invalid address/ Address not supported 
";
        return -1;
    }

    // 連接到服務器
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        std::cout << "
Connection Failed 
";
        return -1;
    }

    // 發送數據
    send(sock, hello, strlen(hello), 0);
    std::cout << "Hello message sent\n";

    // 讀取響應
    read(sock, buffer, 1024);
    std::cout << "Message from server: " << buffer << std::endl;

    close(sock);

    return 0;
}

在使用這些IPC機制時，需要注意同步和互斥的問題，以避免競態條件和數據不一致。此外，還需要考慮錯誤處理和資源清理，確保程序的健壯性。