对于进程间通信的理解
首先，进程间通信的本质是，让不同的进程看到同一份资源（这份资源不能隶属于任何一个进程，即应该是共享的）。而进程间通信的目的是为了实现多进程之间的协同。
但由于进程运行具有独立性（虚拟地址空间+页表 保证了进程运行的独立性），所以要实现进程间的通行难度会比较大。
管道通信作为进程间通信的一种方式，Linux原生就能提供。其通信方式又分为两种：匿名管道 和 命名管道。
匿名管道
匿名管道通信常用于父子进程间的通信。通过fork创建子进程，让具有血缘关系的进程能够进行通信。
其实现通信的步骤主要有3步：
- 父进程分别以读和写方式打开同一个文件
- fork()创建子进程
- 父子进程各自关闭自己不需要的文件描述符
如上图看管道本质还是文件。
既然管道通信，首先要能够创建出管道。pipe系统接口可以帮助创建管道。其参数pipefd是一个数组，
// pipefd[0]对应读端的文件描述符
// pipefd[1]对应写端的文件描述符
int pipe(int pipefd[2]);
// 匿名管道通信测试
void Test1()
{
// 1.创建管道
int pipefd[2] = {0};
int ret = pipe(pipefd);
if(ret != 0)
{
perror("pipe");
exit(1);
}
// 测试打开的文件描述符
cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << endl;
cout << "pipefd[1]: " << pipefd[1] << endl;
// 2.创建子进程
pid_t pid = fork();
if(pid > 0)
{
// 3.构建单向通行的信道，父进程写入，子进程读取
// 3.1.父进程 -- 写
// 关闭读端
close(pipefd[0]);
int count = 0;
while(true)
{
// 不断写如变化的信息
string msg = "hello world" + to_string(count++);
write(pipefd[1], msg.c_str(), msg.size());
sleep(1);
if(count > 5)
{
cout << "write quit" << endl;
break;
}
}
// 关闭写端
close(pipefd[1]);
// 4.等待子进程
pid_t wpid = waitpid(pid, nullptr, 0);
if(wpid == -1)
{
perror("waitpid");
exit(3);
}
}
else if(pid == 0)
{
// 3.2.子进程 -- 读
// 关闭写端
close(pipefd[1]);
// 不断读取信息
char receive[128] = {0};
while(true)
{
ssize_t size = read(pipefd[0], receive, 127);
if(size > 0)
{
cout << "receive: " << receive << endl;
}
else if(size == 0)
{
cout << "write quit, read quit" << endl;
break;
}
else
{
perror("read");
exit(4);
}
}
// 关闭读端
close(pipefd[0]);
}
else
{
perror("fork");
exit(2);
}
}
通过匿名管道我们还可以模拟进程池的设计。
// 简单的进程池设计
#define PROCESS_NUM 5
using f = function<void()>;
unordered_map<int, f> task;
void load()
{
task[1] = [](){cout << "sub process[" << getpid() << "]->void Task1()" << endl;};
task[2] = [](){cout << "sub process[" << getpid() << "]->void Task2()" << endl;};
task[3] = [](){cout << "sub process[" << getpid() << "]->void Task3()" << endl;};
task[4] = [](){cout << "sub process[" << getpid() << "]->void Task4()" << endl;};
}
void sendTask(int fd, pid_t pid, int task_num)
{
write(fd, &task_num, sizeof(task_num));
cout << "process[" << pid << "] execute " << "task" << task_num << " by " << fd << endl;
}
int waitTask(int fd)
{
int task_num = 0;
ssize_t size = read(fd, &task_num, sizeof(task_num));
if(size == 0)
{
return 0;
}
if(size == sizeof(task_num))
{
return task_num;
}
return -1;
}
void Test2()
{
load();
vector<pair<int, pid_t>> process;
// 创建多个进程
for(int i = 0; i < PROCESS_NUM; ++i)
{
// 创建管道
int pipefd[2] = {0};
int ret = pipe(pipefd);
if(ret != 0)
{
perror("pipe");
exit(1);
}
// 创建子进程
pid_t pid = fork();
if(pid == 0)
{
// 子进程 -- 读
close(pipefd[1]);
while(true)
{
// 等待任务
int task_num = waitTask(pipefd[0]);
if(task_num == 0)
{
break;
}
else if(task_num >= 1 && task_num <= task.size())
{
task[task_num]();
}
else
{
perror("waitTask");
exit(3);
}
}
exit(0);
}
else if (pid < 0)
{
perror("fork");
exit(2);
}
// 父进程读端关闭
close(pipefd[0]);
process.emplace_back(pipefd[1], pid);
}
// 父进程 -- 写
srand((unsigned int)time(0));
while(true)
{
// 选择一个进程 -- 随机数方式的负载均衡
int process_num = rand() % process.size();
// 选择一个任务
// int task_num = rand() % task.size() + 1;
int task_num = 0;
cout << "please enter your task num: ";
cin >> task_num;
// 派发任务
sendTask(process[process_num].first, process[process_num].second, task_num);
}
// 关闭fd
for(const auto& e : process)
{
close(e.first);
}
// 回收子进程
for(const auto& e : process)
{
waitpid(e.second, nullptr, 0);
}
}
命名管道
可以用mkfifo命令创建一个命名管道。如下图是一个命名管道的小实验。
也可以通过mkfifo接口进行命名管道文件的创建。
命名管道通信的测试。
// 1. log.hpp
#include <iostream>
enum ErrLevel
{
lev_0,
lev_1,
lev_2,
lev_3,
lev_4
};
const std::string error[] = {
"err_0",
"err_1",
"err_2",
"err_3",
"err_4"
};
std::ostream& Log(const std::string& msg, int level)
{
std::cout << " | " << (unsigned int)time(0) << " | " << error[level] << " | " << msg << " |";
return std::cout;
}
// 2. comm.hpp
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <wait.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
using namespace std;
#include "log.hpp"
#define MODE 0666
#define SIZE 128
// 命名管道，通过文件路径，让不同进程能看到这同一份资源
string named_pipe_path = "/home/zs/linux/testcpp/fifo.ipc";
// 3. server.cpp
static void getMsg(int fd)
{
char buffer[SIZE];
while(true)
{
memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));
ssize_t size = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1); // ssize_t - long int
if(size > 0)
{
cout << "[" << getpid() << "]" << "client say:" << buffer << endl;
}
else if(size == 0)
{
cerr << "[" << getpid() << "]" << "read end of file, client quit, then server quit" << endl;
break;
}
else
{
perror("read");
break;
}
}
}
void test()
{
// 1.创建管道文件
if(0 != mkfifo(named_pipe_path.c_str(), MODE))
{
perror("mkfifo");
exit(1);
}
Log("创建管道文件成功", lev_0) << endl;
// 2.文件操作
int fd = open(named_pipe_path.c_str(), O_RDONLY);
if(fd < 0)
{
perror("open");
exit(2);
}
Log("打开管道文件成功", lev_0) << endl;
for(int i = 0; i < 3; ++i)
{
pid_t pid = fork();
if(pid == 0)
{
// 3.通信
getMsg(fd);
exit(0);
}
}
for(int i = 0; i < 3; ++i)
{
waitpid(-1, nullptr, 0);
}
// 4.关闭文件
close(fd);
Log("关闭管道文件成功", lev_0) << endl;
unlink(named_pipe_path.c_str()); // 通信完毕，删除管道文件
Log("删除管道文件成功", lev_0) << endl;
}
// 4. client.cpp
void test()
{
// 1.获取管道文件
int fd = open(named_pipe_path.c_str(), O_WRONLY);
if(fd < 0)
{
perror("open");
exit(1);
}
// 2.通信
string message;
while(true)
{
cout << "please enter your message: ";
getline(cin, message);
write(fd, message.c_str(), message.size());
}
// 关闭
close(fd);
}
管道通信总结
- 管道常用来进行具有血缘关系的进程间的通信
- 管道让进程间协同，提供了访问控制
- 管道提供的是面向流式的通信服务
- 管道是基于文件的，文件的生命周期跟随进程，管道的生命周期也跟随进程
- 管道用于单向通信，属于半双工通信的一种特殊情况
管道本质是文件，又和传统的文件又不一样。管道文件不会将数据刷新到磁盘。
匿名管道通过父子继承的方式看到同一份资源，命名管道通过文件路径的唯一性看到同一份资源，从而达到不同进程间通信的目的。
对于管道文件：
如果写的一方很快，读的一方很慢，当管道写满时，写端必须等待；
如果写的一方很慢，读的一方很快，当管道没有数据时，读端必须等待；
如果写端先被关闭了，读端会读到文件结尾；
如果读端先被关闭了，操作系统会终止写端进程。
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