如何使用C++在Linux中进行进程间通信 - 问答

在Linux中，有多种进程间通信（IPC）机制可供C++程序使用。以下是一些常见的IPC方法：

管道（Pipes）:
- 匿名管道（Anonymous Pipes）通常用于具有亲缘关系的进程间通信，如父子进程。
- 命名管道（Named Pipes，也称为FIFOs）可以在无亲缘关系的进程间通信。
信号（Signals）:
- 用于通知接收进程某个事件已经发生。
消息队列（Message Queues）:
- 允许进程发送和接收消息。
共享内存（Shared Memory）:
- 允许多个进程访问同一块物理内存。
信号量（Semaphores）:
- 用于进程同步，控制多个进程对共享资源的访问。
套接字（Sockets）:
- 可用于本地进程间通信（如Unix Domain Sockets）或网络通信。

下面是一些简单的示例代码，展示了如何在C++中使用这些IPC机制：

匿名管道示例

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

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

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

    // 创建子进程
    pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (pid == 0) { // 子进程
        close(pipefd[1]); // 关闭写端
        read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer)); // 读取消息
        std::cout << "Child received: " << buffer << std::endl;
        close(pipefd[0]);
    } else { // 父进程
        close(pipefd[0]); // 关闭读端
        const char* message = "Hello from parent!";
        write(pipefd[1], message, strlen(message) + 1); // 发送消息
        close(pipefd[1]);
        wait(NULL); // 等待子进程结束
    }

    return 0;
}

命名管道示例

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

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

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

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

    close(fd);
    unlink(fifo);

    return 0;
}

共享内存示例

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

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

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

    return 0;
}

信号量示例

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

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; // 初始化信号量为1
    semctl(semid, 0, SETVAL, arg);

    // P操作（等待信号量）
    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;

    // V操作（释放信号量）
    sb.sem_op = 1;
    semop(semid, &sb, 1);

    semctl(semid, 0, IPC_RMID, arg);

    return 0;
}

套接字示例

// Unix Domain Sockets 示例
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_un addr;

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

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

    unlink("/tmp/uds.sock"); // 删除已存在的套接字文件
    bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    listen(sockfd, 5);

    // 接受连接
    int newsockfd = accept(sockfd, NULL, NULL);
    if (newsockfd == -1) {
        perror("accept");
        return 1;
    }

    // 读取数据
    char buffer[256];
    read(newsockfd, buffer, sizeof(buffer));
    std::cout << "Received message: " << buffer << std::endl;

    // 关闭套接字
    close(newsockfd);
    close(sockfd);

    return 0;
}

在使用这些IPC机制时，请确保处理好错误情况，并在进程结束时清理资源。此外，对于共享内存和信号量，还需要考虑同步问题，以避免竞态条件。

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