进程间通信

1.进程间通信的介绍

  进程间通信（IPC，Interprocess communication）是一组编程接口，让程序员能够协调不同的进程，使之能在一个操作系统里同时运行，并相互传递、交换信息。这使得一个程序能够在同一时间里处理许多用户的要求。因为即使只有一个用户发出要求，也可能导致一个操作系统中多个进程的产生。进程间通信可以发生在同一台机器上的不同进程间，也可以发生在不同机器上的进程间。
  

1.1目的和发展

  目的：

  （1）数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。

  （2）资源共享：多个进程之间共享同样的资源。

  （3）通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。

  （4）进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。
  
  发展：

  管道 -> System V进程间通信 -> POSIX进程间通信。
  

2.进程间通信分类

  管道：匿名管道、命名管道

  System V IPC：System V 消息队列、System V 共享内存、System V 信号量

  POSIX IPC：消息队列、共享内存、信号量、互斥量、条件变量、读写锁
  

3.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”。

  

3.1匿名管道

  匿名管道的原理:

  匿名管道的原理是使用pipe函数创建管道，并在父进程中得到两个文件描述符，一个用于从管道读数据，另一个用于向管道写数据。 子进程在创建时会自动继承这两个文件描述符，从而可以实现父子进程间的数据交换。

#include <unistd.h>

//功能:创建一无名管道

//原型
int pipe(int fd[2]);

//参数
//fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
//返回值:成功返回0，失败返回错误代码

//例子：从键盘读取数据，写入管道，读取管道，写到屏幕
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main( void )
{
	int fds[2];
	char buf[100];
	int len;
	if ( pipe(fds) == -1 )
	perror("make pipe"),exit(1);
	
	// read from stdin
	while ( fgets(buf, 100, stdin) ) 
	{
		len = strlen(buf);
		// write into pipe
			if ( write(fds[1], buf, len) != len )
			{
				perror("write to pipe");
				break;
			}
		memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
	
		// read from pipe
		if ( (len=read(fds[0], buf, 100)) == -1 ) 
		{
			perror("read from pipe");
			break;
		}
		// write to stdout
		if ( write(1, buf, len) != len ) 
		{
			perror("write to stdout");
			break;
		}
	}
}

  

3.1.1匿名管道的原理（文件角度）

  匿名管道的原理从文件角度来说，是利用内存中共享的一段缓冲区，以文件的方式对缓冲区实现。但因为该文件只存在于内存中，没有唯一命名，所以称为匿名管道。

  具体来说，父进程创建管道文件描述符，然后通过fork创建子进程。子进程继承了父进程的文件描述符，这样父子进程就可以通过这个文件描述符进行通信。 由于管道是半双工方式，数据传输的方向是单向的，所以如果需要进行双向通信，需要创建两个管道。

  

3.1.2匿名管道的原理（内核角度）

  从内核角度来说，匿名管道的原理是利用内核缓冲区作为伪文件，这个缓冲区由读端和写端两部分组成，对应两个文件描述符。数据从写端流入，从读端流出。

  匿名管道的内部实现方式是队列，而且是环形队列。这种队列的特性是先进先出，即一端入队，另一端出队，即只能从一端写入，另一端读出。缓冲区的大小默认是4k字节，但会根据实际情况做适当调整。

  由于用队列实现，数据只能读取一次，不能重复读取。另外，匿名管道是半双工方式，数据传输的方向是单向的。此外，匿名管道只适用于有血缘关系的进程，如父子进程、兄弟进程等。

这也符合了Linux的一切皆文件的思想

  
  父进程tast_struct中有指向file_struct的指针 *file，其中files_struct是一个struct file *fd_array[]，这个array的数组中指向了各种的文件。同时创建子进程，子进程是父进程的一份拷贝，所以此时父进程指向的文件，子进程也同样会指向该文件，进程间通信的前提完成：让不同的文件看到同一份资源。

  

  

  接着，我们可以进行不同进程间的通信了，如果我们想要先让子进程写入，父进程读取。则我们可以在父进程和子进程所指的同一个文件中，进行不同的操作：让子进程在文件缓冲区中写入数据，让父进程在同样的文件缓冲区中读取数据。即可完成通过使用管道的通信操作（所以管道也是文件）。

  

3.1.3管道读写规则

  （1）当没有数据可读时
  O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。
  O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。

  （2）当管道满的时候
  O_NONBLOCK disable： write调用阻塞，直到有进程读走数据。
  O_NONBLOCK enable：调用返回-1，errno值为EAGAIN。

  （3）如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭， 则read返回0。

  （4）如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭， 则write操作会产生信号SIGPIPE,进而可能导致write进程退出。

  （5）当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。

  （6）当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。

  

3.1.4管道特点

  （1）只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信； 通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父、子进程之间就可应用该管道。

  （2）管道提供流式服务。

  （3）一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程。

  （4）一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥。

  （5）管道是半双工的，数据只能向一个方向流动； 需要双方通信时，需要建立起两个管道。

  

3.2命名管道

  命名管道的介绍：

  Linux命名管道是一种特殊的文件类型，它允许不具有亲缘关系的进程之间进行通信。命名管道存在于文件系统中，但同时具有管道的优点，可以用于进程间通信。进程通过操作命名管道文件进行数据交换。

  命名管道的创建可以使用命令行工具（如mkfifo命令）或者在编程语言中的调用系统调用接口（如mkfifo函数）来创建。 创建好命名管道之后，可以使用open()和read/write()函数来读取和写入数据。

  在数据传输方面，命名管道的数据传输不会写入磁盘，而是在内存中进行传递。命名管道允许多个进程通过使用相同的管道名称进行通信，而不仅仅是两个进程之间的通信。与普通管道一样，命名管道中的数据也是临时存储在内存中的。

  

3.2.1创建命名管道

  命名管道可以从命令行上创建：

$ mkfifo filename

  
  命名管道也可以从程序里创建，相关函数有：

int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);

  
  创建命名管道:

int main(int argc, char *argv[])
{
	mkfifo("p2", 0644);
	return 0;
}

  
  匿名管道与命名管道的区别：

  （1）匿名管道由pipe函数创建并打开。

  （2）命名管道由mkfifo函数创建，打开用open。

  （3）FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义。

  

3.2.2命名管道的打开规则

  （1）如果当前打开操作是为读而打开FIFO时
  O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO。
  O_NONBLOCK enable：立刻返回成功。

  （2）如果当前打开操作是为写而打开FIFO时
  O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO。
  O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO。

  

4.命名管道实现server&client通信

测试实现：

  

comm.hpp

#pragma once

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

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

enum{
    FIFO_CREATE_ERR=1,
    FIFO_DELETE_ERR=2,
    FIFO_OPEN_ERR=3
};

  
Makefile

.PHONY:all
all:server client
server:server.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
client:client.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:
	rm -f client server myfifo

  
server.cc

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

using namespace std;

//管理管道文件
int main()
{
    //创建信道
    int n=mkfifo(FIFO_FILE,MODE);
    if(n==-1)
    {
        perror("mkfifo");
        exit(FIFO_CREATE_ERR);
    }
    //sleep(5);
    //打开信道
    int fd=open(FIFO_FILE,O_RDONLY);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        exit(FIFO_OPEN_ERR);
    }
    cout<<"server open file done"<<endl;

    //开始信道
    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)
        {
            cout<<"clinet quit,me too!\n"<<endl;
            break;
        } 
        else break;
    }
    close(fd);

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

    return 0;
}

  
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);
    }

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

        write(fd,line.c_str(),line.size());
    }
    close(fd);
    return 0;
}