C++进程链接工具之通信器详解

什么是C++进程链接工具之通信器

C++进程链接工具之通信器（又称共享内存通信器）是一种实现进程间通信的方式。它使用共享内存的方式，允许多个进程共享同一块内存区域，并利用操作系统提供的信号量等机制，实现对共享内存的并发访问。

通信器主要由以下三个部分组成：

• 共享内存区域：即多个进程共享的内存区域，用于存储需要交换的数据。
• 读写锁：用于多个进程对共享内存的读写操作的互斥控制。
• 信号量：用于某些情况下的进程同步，如通知对方进程数据已经准备好等。

通信器的使用方法

通信器的使用主要包括以下几个步骤：

1. 创建或链接共享内存区域：第一个进程需要创建共享内存区域，而后续的进程需要链接已经创建好的共享内存区域。共享内存区域的大小应该由所有进程协商确定，通常在创建时指定，并且应该足够容纳所有需要共享的数据。
2. 获取读写锁：所有需要对共享内存进行读写操作的进程都需要获取读写锁。
3. 进行数据交换：各进程直接进行数据交换，可以把共享内存视为一个全局变量。
4. 释放读写锁：读写操作完成后，需要释放读写锁。
5. 删除共享内存：通信完成后，第一个进程需要删除共享内存区域。

下面将通过两个示例说明如何使用通信器。

示例一：简单的进程间通信

假设有两个进程A和B，我们通过通信器实现它们之间的数据交换。

进程A的代码示例

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

using namespace std;

int main() {
    key_t key = ftok("/tmp/comm", 'a');
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666 | IPC_CREAT);
    char* data = (char*)shmat(shmid, (void*)0, 0);
    sem_t* mutex = sem_open("/tmp/comm_mutex", O_CREAT, 0666, 1);
    sem_t* empty = sem_open("/tmp/comm_empty", O_CREAT, 0666, 1);
    sem_t* full = sem_open("/tmp/comm_full", O_CREAT, 0666, 0);

    while (true) {
        sem_wait(full);
        sem_wait(mutex);

        cout << "Process A read: " << data << endl;
        strcpy(data, "Hello B!");

        sem_post(mutex);
        sem_post(empty);
    }

    shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);
    sem_unlink("/tmp/comm_mutex");
    sem_unlink("/tmp/comm_empty");
    sem_unlink("/tmp/comm_full");

    return 0;
}

进程B的代码示例

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

using namespace std;

int main() {
    key_t key = ftok("/tmp/comm", 'a');
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666 | IPC_CREAT);
    char* data = (char*)shmat(shmid, (void*)0, 0);
    sem_t* mutex = sem_open("/tmp/comm_mutex", O_CREAT, 0666, 1);
    sem_t* empty = sem_open("/tmp/comm_empty", O_CREAT, 0666, 1);
    sem_t* full = sem_open("/tmp/comm_full", O_CREAT, 0666, 0);

    while (true) {
        sem_wait(empty);
        sem_wait(mutex);

        strcpy(data, "Hello A!");
        cout << "Process B read: " << data << endl;

        sem_post(mutex);
        sem_post(full);
    }

    shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);
    sem_unlink("/tmp/comm_mutex");
    sem_unlink("/tmp/comm_empty");
    sem_unlink("/tmp/comm_full");

    return 0;
}

上述代码演示了进程A和进程B之间的简单通信过程。两个进程共享一个大小为1024字节的共享内存区域，其中单元格0用于进程A存储数据，单元格1用于进程B存储数据。读写锁和信号量使用了POSIX信号量库提供的相关函数。

如何运行示例代码

为了运行这个示例代码，需要在终端中执行以下命令：

$ g++ process_a.cpp -o process_a -lpthread
$ g++ process_b.cpp -o process_b -lpthread
$ ./process_a & ./process_b

代码运行后，将持续输出“Hello A!”和“Hello B!”。

示例二：使用通信器发送结构化数据

假设还是有两个进程A和B，我们需要把一个结构化的数据传送给B进程。

通信结构体定义

struct Data {
    int a;
    float b;
    char c[20];
};

进程A的代码示例

#include <iostream>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <semaphore.h>
#include "data.h"

using namespace std;

int main() {
    key_t key = ftok("/tmp/comm", 'a');
    int shmid = shmget(key, sizeof(Data), 0666 | IPC_CREAT);
    Data* data = (Data*)shmat(shmid, (void*)0, 0);
    sem_t* mutex = sem_open("/tmp/comm_mutex", O_CREAT, 0666, 1);
    sem_t* empty = sem_open("/tmp/comm_empty", O_CREAT, 0666, 1);
    sem_t* full = sem_open("/tmp/comm_full", O_CREAT, 0666, 0);

    while (true) {
        sem_wait(full);
        sem_wait(mutex);

        data->a++;
        data->b += 0.123;
        strncpy(data->c, "Hello B!", sizeof(data->c));

        sem_post(mutex);
        sem_post(empty);
    }

    shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);
    sem_unlink("/tmp/comm_mutex");
    sem_unlink("/tmp/comm_empty");
    sem_unlink("/tmp/comm_full");

    return 0;
}

进程B的代码示例

#include <iostream>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <semaphore.h>
#include "data.h"

using namespace std;

int main() {
    key_t key = ftok("/tmp/comm", 'a');
    int shmid = shmget(key, sizeof(Data), 0666 | IPC_CREAT);
    Data* data = (Data*)shmat(shmid, (void*)0, 0);
    sem_t* mutex = sem_open("/tmp/comm_mutex", O_CREAT, 0666, 1);
    sem_t* empty = sem_open("/tmp/comm_empty", O_CREAT, 0666, 1);
    sem_t* full = sem_open("/tmp/comm_full", O_CREAT, 0666, 0);

    while (true) {
        sem_wait(empty);
        sem_wait(mutex);

        cout << "Process B read " << data->a << ", " << data->b << ", " << data->c << endl;

        sem_post(mutex);
        sem_post(full);
    }

    shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);
    sem_unlink("/tmp/comm_mutex");
    sem_unlink("/tmp/comm_empty");
    sem_unlink("/tmp/comm_full");

    return 0;
}

示例二演示了进程A向进程B发送结构化数据的过程。这里使用了一个自定义的Data结构体来存储数据。进程A在共享内存中修改结构体的数据，而进程B从共享内存中读取数据，然后在控制台输出。注意到这里并没有使用strcpy函数，而是直接使用了strncpy函数，为了避免溢出。

如何运行示例代码

还是运行以下命令：

$ g++ process_a.cpp -o process_a -lpthread
$ g++ process_b.cpp -o process_b -lpthread
$ ./process_a & ./process_b

在运行时请注意，如果两个进程同时输出，会产生混乱的控制台输出。可以尝试将输出重定向到文件中以便观察。