【Linux】：进程间通信和日志模拟

进程间通信

一.基本概念
二.简单的通信-管道(匿名管道)
- 1.建立通信信道
- 2.通信接口
三.命名管道
三.模拟命名管道通信（加上日志）
- 1.完整代码
- 2.基本使用

一.基本概念

是什么

两个或多个进程实现数据层面的交互。

因为进程独立性的存在，导致进程间的通信成本比较高。

为什么

因为我们有多进程协同的需求。

怎么办

a.进程间通信的本质:必须让不同的进程看到同一份"资源"。
b.“资源”?特定形式的内存空间。
c.这个"资源"谁提供?一般是操作系统。
d.我们进程访问这个空间，进行通信，本质就是访问操作系统！进程代表的就是用户，“资源”从创建，使用(一般)，释放―–需要系统调用接口!一般操作系统会有一个独立的通信模块-隶属于文件系统-IPC通信模块。

二.简单的通信-管道(匿名管道)

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”。

在这里插入图片描述

1.建立通信信道

管道是一个文件-内存级文件。

1.管道文件与一般文件不同，一般文件存在于磁盘里，管道文件存在于内存里。也就是说管道文件不需要将修改内容从内存刷新缓冲区到磁盘，这是它的特点。

2.一般管道文件只能具有血缘关系的进程间通信。因为只有具有血缘关系才能继承同一份files_struct。

3.一个父进程在创建管道文件时不能只是以读或者写的方式，必须两者都有。操作系统会把这个文件打开两次，分别用来读和写。但操作系统实际上只想让两个进程进行单向通信，因为如果一个进程又在读又在写，很容易会造成数据混淆，为了避免麻烦，规定只能一个进程写，另一个进程读。

在这里插入图片描述

这个文件不需要有名字，inode…让操作系统区分。所以这种文件也被称为匿名管道。

2.通信接口

在这里插入图片描述

pipe的作用就是帮助我们以读和写打开文件。它的参数是一个输出型参数，它会把分别以读和写的文件的文件描述符通过参数带出，供用户使用。pipefd[0]一般用于读,pipefd[1]一般用于写。

模拟

makefile

testPipe:TestPipe.cpp
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:
	rm -f testPipe

TestPipe.cpp(一个简单的通信，子进程向父进程里写信息)

#include<stdio.h>
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string>
#include<cstdio>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>

using namespace std;
#define N 2
#define NUM 1024

//子进程
void Write(int wfd)
{
  //任意写几个数据测试
  string s="hello,i am a child";
  pid_t id=getpid();
  int num=0;

  char buffer[NUM];
  while(1)
  {
    snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s-%d-%d\n",s.c_str(),id,num++);//将数据都变成字符存在buffer里
    
    //把数据写入管道
    write(wfd,buffer,strlen(buffer));
    sleep(1);
  }
}

//父进程
void Read(int rfd)
{
  char buffer[NUM]={0};
  while(1)
  {
    ssize_t n=read(rfd,buffer,sizeof(buffer));
    if(n>0)
    {
      cout<<buffer<<endl;
    }
    else if(n==0) break;
  }
  
}

int main()
{
  int pipefd[N]={0};
  //创建管道
  int n=pipe(pipefd);
  //判断是否创建成功
  if(n<0) return 1;
  
  //创建子进程
  pid_t id=fork();
  if(id<0) return 2;
  if(id==0)
  {
    //子进程
    //关闭读功能
    close(pipefd[0]);

    //IPC code
    Write(pipefd[1]);

    //退出
    close(pipefd[1]);
    exit(0);
  }
  //父进程
  //关闭写功能
  close(pipefd[1]);

  //IPC code
  Read(pipefd[0]);
  //退出

  //回收子进程
  pid_t rid=waitpid(id,nullptr,0);
  if(rid<0) return 3;
  close(pipefd[0]);
  return 0;
}

在这里插入图片描述

管道的4中情况:
1.读写端正常，管道如果为空，读端就要阻塞 2读写端正常，管道如果被写满，写端就要阻塞 3．读端正常读，写端关闭，读端就会读到0，表明读到了文件(pipe)结尾，不会被阻塞
4,写端正常写入，读端被关闭。操作系统就要杀掉正在写入的进程。如何干掉？通过信号杀掉。

管道的特征:
1.具有血缘关系的进程进行进程间通信。
2.管道只能单向通信。
3.父子进程是会进程协同的，同步与互斥的—保护管道文件的数据安全 4．管道是面向字节流的。
5．管道是基于文件的，而文件的生命周期是随进程的！

三.命名管道

很明显上面的匿名管道只使用于具有血缘关系的通信是远远不够的，为了解决这个问题，又有了命名管道的概念。

如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。
命名管道是一种特殊类型的文件。

makefile

在这里插入图片描述

创建一个命名管道命名为myfifo

在这里插入图片描述

三.模拟命名管道通信（加上日志）

1.完整代码

日志（log.hpp）

#include <iostream>
#include <time.h>
#include <stdarg.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>


#define SIZE 1024

#define Info 0
#define Debug 1
#define Warning 2
#define Error 3
#define Fatal 4

#define Screen 1
#define Onefile 2
#define Classfile 3

#define LogFile "log.txt"

class Log
{
public:
  Log()
  {
    //初始化打印方式和路径
    printMethod=Screen;
    path="./log/";
  }

  ~Log()
  {}

  //改变打印方式
  void Enable(int methed)
  {
    printMethod=methed;
  }

  //把整形转换成字符串
  std::string levelToString(int level)
  {
    switch (level)
    {
    case Info:
        return "Info";
    case Debug:
        return "Debug";
    case Warning:
        return "Warning";
    case Error:
        return "Error";
    case Fatal:
        return "Fatal";
    default:
        return "None";
    }
  }
  void printOneFile(const std::string &logname, const std::string &logtxt)
  {
    std::string _logname=path+logname;//连接文件路径
    int fd=open(_logname.c_str(),O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666);//打开文件
    if (fd < 0) return;

    //向文件里写入
    write(fd, logtxt.c_str(), logtxt.size());
    close(fd); 
  }
  
  void printClassFile(int level,const std::string &logtxt)
  {
    std::string filename=LogFile+'.'+levelToString(level);//拼接路径
    printOneFile(filename,logtxt);
  }
  
  void printLog(int level,const std::string &logtxt)
  {
    //选择打印方式
    switch (printMethod)
    {
    case Screen://向屏幕打印
      std::cout << logtxt << std::endl;
      break;
    case Onefile://向一个文件里打印
      printOneFile(LogFile, logtxt);
      break;
    case Classfile://向多个文件里打印
      printClassFile(level, logtxt);
      break;
    default:
      break;
    }
  }


  //重载括号，让其能像log s; s(...)一样使用
  void operator()(int level,const char*format, ...)
  {
    //首先将时间加入日志
    time_t t=time(nullptr);
    struct tm*ctime=localtime(&t);
    char leftbuffer[SIZE];
    snprintf(leftbuffer, sizeof(leftbuffer), "[%s][%d-%d-%d %d:%d:%d]", levelToString(level).c_str(),
                 ctime->tm_year + 1900, ctime->tm_mon + 1, ctime->tm_mday,
                 ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec);

    //接着将用户输入部分加入

    //处理可变参数
    va_list s;
    va_start(s,format);
    char rightbuffer[SIZE];
    vsnprintf(rightbuffer, sizeof(rightbuffer), format, s);
    va_end(s);
    
    //将两个部分合并
    char logtxt[2*SIZE];
    snprintf(logtxt,sizeof(logtxt),"%s %s\n",leftbuffer,rightbuffer);

    //打印到对应位置
    printLog(level, logtxt);
  }
private:
  int printMethod;
  std::string path;
};

创建管道（comm.hpp）

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

#define FIFO_FILE "./myfifo"
#define MODE 0664

enum
{
  FIFO_CREATE_ERR = 1,
  FIFO_DELETE_ERR,
  FIFO_OPEN_ERR
};

class Init
{
public:
  Init()
  {
    // 创建管道
    int n = mkfifo(FIFO_FILE, MODE);
    if (n == -1)
    {
        perror("mkfifo");
        exit(FIFO_CREATE_ERR);
    }
  }
  ~Init()
  {

    int m = unlink(FIFO_FILE);
    if (m == -1)
    {
        perror("unlink");
        exit(FIFO_DELETE_ERR);
    }
  }
};

管道通信读取方（server.cc）

#include "comm.hpp"
#include "log.hpp"

using namespace std;

// 管理管道文件
int main()
{
  Init init;
  Log log;
  // log.Enable(Onefile);
  log.Enable(Onefile);

  // 打开管道
  int fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY); // 等待写入方打开之后，自己才会打开文件，向后执行， open 阻塞了！
  if (fd < 0)
  {
    log(Fatal, "error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno);
    exit(FIFO_OPEN_ERR);
  }

  log(Info, "server open file done, error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno);
  log(Warning, "server open file done, error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno);
  log(Fatal, "server open file done, error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno);
  log(Debug, "server open file done, error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno);


  // 开始通信
  while (true)
  {
      char buffer[1024] = {0};
      int x = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
      if (x > 0)
      {
        buffer[x] = 0;
        cout << "client say# " << buffer << endl;
      }
      else if (x == 0)
      {
        log(Debug, "client quit, me too!, error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno);
        break;
      }
      else
        break;
  }

  close(fd);
  return 0;
}

管道通信写入方（client.cc）

#include <iostream>
#include "comm.hpp"

using namespace std;

int main()
{
  int fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY);
  if(fd < 0)
  {
    perror("open");
    exit(FIFO_OPEN_ERR);
  }

  cout << "client open file done" << endl;

  string line;
  while(true)
  {
      cout << "Please Enter@ ";
      getline(cin, line);

      write(fd, line.c_str(), line.size());
  }

  close(fd);
  return 0;
}

makefile

.PHONY:all
all:server client

server:server.cc
	g++ -o $@ $^ -g -std=c++11
	mkdir log
client:client.cc
	g++ -o $@ $^ -g -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
	rm -f server client
	rm -r log