进程间通信（管道、命名管道、消息队列、共享内存、信号、信号量）
进程间通信（IPC，InterProcess Communication）是指在不同进程之间传播或交换信息。
IPC的方式通常有管道（包括无名管道和命名管道）、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。（笔面会问。背）
一、管道（无名管道pipe）
管道，通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式。
1、特点：
（1）它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端。
（2）它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）。
（3）它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。
（4）管道里不存储数据。
2、原型：
1 #include <unistd.h> 2 int pipe(int fd[2]); // 返回值：若成功返回0，失败返回-1 12
当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符：fd[0]为读而打开，fd[1]为写而打开。如下图：
要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。
3、例子
单个进程中的管道几乎没有任何用处。所以，通常调用 pipe 的进程接着调用 fork，这样就创建了父进程与子进程之间的 IPC 通道。如下图所示：
若要数据流从父进程流向子进程，则关闭父进程的读端（fd[0]）与子进程的写端（fd[1]）；反之，则可以使数据流从子进程流向父进程。
pipe 代码案例：
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int fd[2];
int pid;
char *writeBuf="yl hen shuai!";
char readBuf[128];
if(pipe(fd)==-1){
printf("pipe faile\n");
}
pid=fork();
if(pid<0){
printf("fork failed\n");
}else if(pid>0){
sleep(3);
printf("father jin cheng\n");
close(fd[0]);
if(write(fd[1],writeBuf,strlen(writeBuf)+1)==-1){
printf("write failed\n");
}
wait();
}else{
printf("child jin cheng\n");
close(fd[1]);
int readId=read(fd[0],readBuf,128);
if(readId==-1){
printf("read failed\n");
}
printf("read from fathar %d byte:%s\n",readId,readBuf);
exit(-1);
}
return 0;
}
结果：
child jin cheng
father jin cheng
read from fathar 14 byte:yl hen shuai!
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二、FIFO（命名管道）
FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型。
1、特点
FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同。
FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。
2、原型
1 #include <sys/stat.h> 2 // 返回值：成功返回0，出错返回-1 3 int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 123
其中的 mode 参数与open函数中的 mode 相同。一旦创建了一个 FIFO，就可以用一般的文件I/O函数操作它。
当 open 一个FIFO时，是否设置非阻塞标志（O_NONBLOCK）的区别：
若没有指定O_NONBLOCK（默认），只读 open 要阻塞到某个其他进程为写而打开此 FIFO。类似的，只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它。
若指定了O_NONBLOCK，则只读 open 立即返回。而只写 open 将出错返回 -1 如果没有进程已经为读而打开该 FIFO，其errno置ENXIO。
案例：
read 端代码：
#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include<errno.h>
int main()
{
int fd;
char readBuf[128];
int nread;
if(mkfifo("./file1",0600)==-1 && errno !=EEXIST){
printf("creat file1 failed\n");
}
fd=open("./file1",O_RDONLY);
if(fd==-1){
printf("open file1 failed\n");
}
nread=read(fd,readBuf,128);
printf("read%d byte from write:%s\n",nread,readBuf);
close(fd);
return 0;
}
~
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write 端代码：
#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
int main()
{
int fd;
char *writeBuf="yl hen shuai!";
fd=open("./file1",O_WRONLY);
if(fd==-1){
printf("open file1 failed\n");
}
if(write(fd,writeBuf,strlen(writeBuf)+1)==-1){
printf("write file1 failed\n");
}
close(fd);
return 0;
}
~
12345678910111213141516171819202122
三、消息队列
消息队列，是消息的链接表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标识。
1、特点
消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。
消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除。
消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。
2、原型
1 #include <sys/msg.h> 2 // 创建或打开消息队列：成功返回队列ID，失败返回-1 3 int msgget(key_t key, int flag); 4 // 添加消息：成功返回0，失败返回-1 5 int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag); 6 // 读取消息：成功返回消息数据的长度，失败返回-1 7 int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag); 8 // 控制消息队列：成功返回0，失败返回-1 9 int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf); 12345678910
在以下两种情况下，msgget将创建一个新的消息队列：
如果没有与键值key相对应的消息队列，并且flag中包含了IPC_CREAT标志位。
key参数为IPC_PRIVATE。
函数msgrcv在读取消息队列时，type参数有下面几种情况：
type == 0，返回队列中的第一个消息；
type > 0，返回队列中消息类型为 type 的第一个消息；
type < 0，返回队列中消息类型值小于或等于 type 绝对值的消息，如果有多个，则取类型值最小的消息。
可以看出，type值非 0 时用于以非先进先出次序读消息。也可以把 type 看做优先级的权值。（其他的参数解释，请自行Google之）
代码案例：
A和B通信。 注意（获取key值用ftok（）函数）
A端代码：
#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include<string.h>
typedef struct msgbuf {
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[128]; /* message data */
}msg;
int main()
{
int msgId;
msg readBuf;
key_t key;
msg sendBuf={999,"I know yl shen shuai!"};
if(key=ftok(".",'z')<0){
printf("get key failed\n");
}
msgId=msgget(key,IPC_CREAT|0777);
if(msgId==-1){
printf("msgget failed\n");
}
if(msgrcv(msgId,&readBuf,sizeof(readBuf.mtext),888,0)==-1){
printf(" msg get fialed\n");
}
printf("read from send:%s\n",readBuf.mtext);
if(msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0)==-1){
printf("msg send failed\n");
}
msgctl(msgId,IPC_RMID,NULL);
return 0;
}
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B端代码：
#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include<string.h>
#include<string.h>
typedef struct msgbuf {
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[128]; /* message data */
}msg;
int main()
{
int msgId;
msg readBuf;
key_t key;
msg sendBuf={888,"yl hen shuai!"};
if(key=ftok(".",'z')<0){
printf("get key failed\n");
}
msgId=msgget(key,IPC_CREAT|0777);
if(msgId==-1){
printf("msgget failed\n");
}
if(msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0)==-1){
printf("msg send failed\n");
}
if(msgrcv(msgId,&readBuf,sizeof(readBuf.mtext),999,0)==-1){
printf(" msg get fialed\n");
}
printf("read from get:%s\n",readBuf.mtext);
msgctl(msgId,IPC_RMID,NULL);
return 0;
}
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四、共享内存
共享内存（Shared Memory），指两个或多个进程共享一个给定的存储区。
1、特点
共享内存是最快的一种 IPC，因为进程是直接对内存进行存取。
因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。
信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问。
2、原型
1 #include <sys/shm.h> 2 // 创建或获取一个共享内存：成功返回共享内存ID，失败返回-1 3 int shmget(key_t key, size_t size, int flag); 4 // 连接共享内存到当前进程的地址空间：成功返回指向共享内存的指针，失败返回-1 // void *addr 一般用0，0代表系统自动开辟的地址。 flag一般也为0，0代表映射进来的共享内存是可读可写。 5 void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag); 6 // 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1 7 int shmdt(void *addr); 8 // 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1 9 int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf); 123456789101112
当用shmget函数创建一段共享内存时，必须指定其 size；而如果引用一个已存在的共享内存，则将 size 指定为0 。
当一段共享内存被创建以后，它并不能被任何进程访问。必须使用shmat函数连接该共享内存到当前进程的地址空间，连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间，随后可像本地空间一样访问。
shmdt函数是用来断开shmat建立的连接的。注意，这并不是从系统中删除该共享内存，只是当前进程不能再访问该共享内存而已。
shmctl函数可以对共享内存执行多种操作，根据参数 cmd 执行相应的操作。常用的是IPC_RMID（从系统中删除该共享内存）。
案例：
A和B通信。 注意（获取key值用ftok（）函数）
A端代码：
#include<stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
key_t key;
int shmId;
char *shmaddr;
char *date="yl hen shuai!";
if(key=ftok(".",1)<0){
printf("get key failed\n");
}
if(shmId=shmget(key,1024*2,IPC_CREAT|0666)==-1){
printf("shmget failed\n");
exit(-1);
}
shmaddr=shmat(shmId,0,0);
strcpy(shmaddr,date);
sleep(6);
if(shmdt(shmaddr)==-1){
printf("shmdt failed\n");
}
if(shmctl(shmId,IPC_RMID,0)==-1){
printf("delec shm failed\n");
}
return 0;
}
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B端代码：
#include<stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
key_t key;
int shmId;
char *shmaddr;
if(key=ftok(".",1)<0){
printf("get key failed\n");
}
if(shmId=shmget(key,1024*2,IPC_CREAT|0666)==-1){
printf("shmget failed\n");
exit(-1);
}
shmaddr=shmat(shmId,0,0);
printf("read from write:%s\n",shmaddr);
if(shmdt(shmaddr)==-1){
printf("shmdt failed\n");
}
return 0;
}
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四、信号（signal）
对于 Linux来说，实际信号是软中断，许多重要的程序都需要处理信号。信号，为 Linux 提供了一种处理异步事件的方法。比如，终端用户输入了 ctrl+c 来中断程序，会通过信号机制停止一个程序。
信号概述
信号的名字和编号：
每个信号都有一个名字和编号，这些名字都以“SIG”开头，例如“SIGIO ”、“SIGCHLD”等等。
信号定义在signal.h头文件中，信号名都定义为正整数。
具体的信号名称可以使用kill -l来查看信号的名字以及序号，信号是从1开始编号的，不存在0号信号。kill对于信号0又特殊的应用。
信号的名称
信号的处理：
信号的处理有三种方法，分别是：忽略、捕捉和默认动作
忽略信号，大多数信号可以使用这个方式来处理，但是有两种信号不能被忽略（分别是 SIGKILL和SIGSTOP）。因为他们向内核和超级用户提供了进程终止和停止的可靠方法，如果忽略了，那么这个进程就变成了没人能管理的的进程，显然是内核设计者不希望看到的场景
捕捉信号，需要告诉内核，用户希望如何处理某一种信号，说白了就是写一个信号处理函数，然后将这个函数告诉内核。当该信号产生时，由内核来调用用户自定义的函数，以此来实现某种信号的处理。
系统默认动作，对于每个信号来说，系统都对应由默认的处理动作，当发生了该信号，系统会自动执行。不过，对系统来说，大部分的处理方式都比较粗暴，就是直接杀死该进程。
具体的信号默认动作可以使用man 7 signal来查看系统的具体定义。在此，我就不详细展开了，需要查看的，可以自行查看。也可以参考 《UNIX 环境高级编程（第三部）》的 P251——P256中间对于每个信号有详细的说明。
了解了信号的概述，那么，信号是如何来使用呢？
其实对于常用的 kill 命令就是一个发送信号的工具，kill -9 pid来杀死进程。比如，我在后台运行了一个 top 工具，通过 ps 命令可以查看他的 PID，通过 kill 9 来发送了一个终止进程的信号来结束了 top 进程。如果查看信号编号和名称，可以发现9对应的是 9) SIGKILL，正是杀死该进程的信号。而以下的执行过程实际也就是执行了9号信号的默认动作——杀死进程。
kill 杀死进程
对于信号来说，最大的意义不是为了杀死信号，而是实现一些异步通讯的手段，那么如何来自定义信号的处理函数呢？
信号处理函数的注册
信号处理函数的注册不只一种方法，分为入门版和高级版
入门版：函数signal 高级版：函数sigaction 12
信号处理发送函数
信号发送函数也不止一个，同样分为入门版和高级版
1.入门版：kill 2.高级版：sigqueue 12
信号注册函数——入门版
在正式开始了解这两个函数之前，可以先来思考一下，处理中断都需要处理什么问题。
按照我们之前思路来看，可以发送的信号类型是多种多样的，每种信号的处理可能不一定相同，那么，我们肯定需要知道到底发生了什么信号。
另外，虽然我们知道了系统发出来的是哪种信号，但是还有一点也很重要，就是系统产生了一个信号，是由谁来响应？
如果系统通过 ctrl+c 产生了一个 SIGINT（中断信号），显然不是所有程序同时结束，那么，信号一定需要有一个接收者。对于处理信号的程序来说，接收者就是自己。
开始的时候，先来看看入门版本的信号注册函数，他的函数原型如下：
signal 的函数原型
#include <signal.h> typedef void (*sighandler_t)(int); sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler); 123
根据函数原型可以看出由两部分组成，一个是真实处理信号的函数，另一个是注册函数了。
对于sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);函数来说，signum 显然是信号的编号，handler 是中断函数的指针。
同样，typedef void (*sighandler_t)(int);中断函数的原型中，有一个参数是 int 类型，显然也是信号产生的类型，方便使用一个函数来处理多个信号。
入门版案例：
案例代码：
#include<stdio.h>
#include <signal.h>
void handler(int signum)
{
printf("signum:%d\n",signum);
printf("sigint no ok\n");
}
int main()
{
signal(2,handler);//实现ctrl+c 信号的捕捉 并执行自己的handler的内容
signal（2，SIG_IGN）;//忽略ctrl+c 信号，不执行任何操作
while(1);
return 0;
}
123456789101112131415
通过编程让程序给上面的案例发送信号指令:
#include<stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
int main(int argc,char **argv)
{
int signum;
int pid;
char cmd；
signum=atoi(argv[1]);//这边要注意强转成int
pid=atoi(argv[2]);
//kill(pid,signum);//可以用kill函数 也可以用下面的system函数
sprintf（cmd，"kill - %d %d"，signum，pid）；
system（cmd）；
return 0;
}
1234567891011121314151617
信号高级版（含消息接收）：
思路：
接收信号端：
sigaction 函数原型：int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);参数说明：
signum： 要捕捉哪个信号，
const struct sigaction *act： 如下
struct sigaction {
void (*sa_handler)(int); //这个跟入门版的一样不带消息 带消息一般不配置
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //配置消息的属性（谁发的，类型等）
sigset_t sa_mask; //默认是阻塞状态，没有需求也可以不配置
int sa_flags; //要发送消息必须配置成SA_SIGINFO
void (*sa_restorer)(void);
};
//回调函数句柄sa_handler、sa_sigaction只能任选其一
12345678
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *)// 有3个参数。一个pid号，一个结构体一个指针。
//结构体里是消息的类型内容等等。
类似： siginfo_t {
int si_signo; /* Signal number */
int si_errno; /* An errno value */
int si_code; /* Signal code */
int si_trapno; /* Trap number that caused
hardware-generated signal
(unused on most architectures) */
pid_t si_pid; /* Sending process ID */
uid_t si_uid; /* Real user ID of sending process */
int si_status; /* Exit value or signal */
clock_t si_utime; /* User time consumed */
clock_t si_stime; /* System time consumed */
sigval_t si_value; /* Signal value */
int si_int; /* POSIX.1b signal */
void *si_ptr; /* POSIX.1b signal */
int si_overrun; /* Timer overrun count; POSIX.1b timers */
int si_timerid; /* Timer ID; POSIX.1b timers */
void *si_addr; /* Memory location which caused fault */
long si_band; /* Band event (was int in
glibc 2.3.2 and earlier) */
int si_fd; /* File descriptor */
short si_addr_lsb; /* Least significant bit of address
(since kernel 2.6.32) */
}
123456789101112131415161718192021222324252627
struct sigaction *oldact); 备份源消息如不需要可设置为NULL。
#include<stdio.h>
#include<signal.h>
void handler(int signum, siginfo_t *info, void *text){
printf("signum is:%d\n",signum);
if(text !=NULL){
// printf("text:%s\n",(char *)info->si_value.sival_ptr);
printf("text:%d\n",info->si_int);
printf("from pid:%d\n",info->si_pid);
}
}
int main()
{
struct sigaction act;
act.sa_sigaction=handler;
act.sa_flags=SA_SIGINFO;
sigaction(5,&act,NULL);
printf("my pid:%d\n",getpid());
while(1);
return 0;
}
12345678910111213141516171819202122
发送：
#include<stdio.h>
#include <signal.h>
#include<stdlib.h>
int main(int argc,char **argv)
{
int signum;
int pid;
// char *text="yl hen shuai!"; //注意信号只能传单个字符。
union sigval value;
//value.sival_ptr =text;
value.sival_int =99;
signum=atoi(argv[1]);
pid=atoi(argv[2]);
if(sigqueue(pid,signum,value)==-1){
perror("why");
exit(-1);
}
printf("get pid %d\n",getpid());
return 0;
}
123456789101112131415161718192021
五、信号量
信号量（semaphore）与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。
1、特点
信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存。
信号量基于操作系统的 PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作。
每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任意正整数。
支持信号量组。
2、原型
最简单的信号量是只能取 0 和 1 的变量，这也是信号量最常见的一种形式，叫做二值信号量（Binary Semaphore）。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。
Linux 下的信号量函数都是在通用的信号量数组上进行操作，而不是在一个单一的二值信号量上进行操作。 1
1 #include <sys/sem.h> 2 // 创建或获取一个信号量组：若成功返回信号量集ID，失败返回-1 3 int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags); 4 // 对信号量组进行操作，改变信号量的值：成功返回0，失败返回-1 5 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops); 6 // 控制信号量的相关信息 7 int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...); 1234567
当semget创建新的信号量集合时，必须指定集合中信号量的个数（即num_sems），通常为1； 如果是引用一个现有的集合，则将num_sems指定为 0 。
在semop函数中，sembuf结构的定义如下：
1 struct sembuf
2 {
3 short sem_num; // 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1
4 short sem_op; // 信号量值在一次操作中的改变量
5 short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
6 }
123456
其中 sem_op 是一次操作中的信号量的改变量：
若sem_op > 0，表示进程释放相应的资源数，将 sem_op 的值加到信号量的值上。如果有进程正在休眠等待此信号量，则换行它们。
若sem_op < 0，请求 sem_op 的绝对值的资源。
如果相应的资源数可以满足请求，则将该信号量的值减去sem_op的绝对值，函数成功返回。
当相应的资源数不能满足请求时，这个操作与sem_flg有关。
sem_flg 指定IPC_NOWAIT，则semop函数出错返回EAGAIN。
sem_flg 没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
当相应的资源数可以满足请求，此信号量的semncnt值减1，该信号量的值减去sem_op的绝对值。成功返回；
此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，此情况下将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR
若sem_op == 0，进程阻塞直到信号量的相应值为0：
当信号量已经为0，函数立即返回。
如果信号量的值不为0，则依据sem_flg决定函数动作：
sem_flg指定IPC_NOWAIT，则出错返回EAGAIN。
sem_flg没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回；
此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，在此情况将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR
在semctl函数中的命令有多种，这里就说两个常用的：
SETVAL：用于初始化信号量为一个已知的值。所需要的值作为联合semun的val成员来传递。在信号量第一次使用之前需要设置信号量。
IPC_RMID：删除一个信号量集合。如果不删除信号量，它将继续在系统中存在，即使程序已经退出，它可能在你下次运行此程序时引发问题，而且信号量是一种有限的资源。
案例：
#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
union semun {
int val; /* Value for SETVAL */
struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */
struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO
(Linux-specific) */
};
void pGetKey(int id)
{
struct sembuf sops;
sops.sem_num = 0;
sops.sem_op=-1;
sops.sem_flg=SEM_UNDO;
if(semop(id,&sops,1)==-1){
printf("semop error\n");
}
}
void vPutKey(int id)
{
struct sembuf sops;
sops.sem_num = 0;
sops.sem_op=1;
sops.sem_flg=SEM_UNDO;
if(semop(id,&sops,1)==-1){
printf("semop error\n");
}
}
int main()
{
key_t key;
int semId;
union semun initsem;
pid_t pid;
initsem.val=0;
if(key=ftok(".",1)==-1){
printf("ftok error\n");
}
if(semId=semget(key,1,IPC_CREAT|0666)==-1){
printf("semget error\n");
}
if(semctl(semId,0,SETVAL,initsem)==-1){
printf("semctl error\n");
}
pid=fork();
if(pid>0){
pGetKey(semId);
printf("this is fathar\n");
vPutKey(semId);
}else if(pid == 0){
printf("this is child\n");
vPutKey(semId);
}else{
printf("fork error\n");
}
return 0;
}
