嵌入式Linux：进程间通信机制

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：

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。

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：

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。

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：

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）。

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。