Linux之进程间通信（管道）

news2024/11/24 22:15:27

目录

一、进程间通信

1、进程间通信的概念

2、进程间通信的目的

3、进程间通信的分类

二、管道

1、管道基本介绍

2、匿名管道

3、命名管道

一、进程间通信

1、进程间通信的概念

什么是进程间通信？

我们在学习了进程的相关知识后，知道，进程的运行是具有独立性的，每个进程都有自己独立的PCB，也都有只属于自己的地址空间，进程之间是互不干扰的。

所以说，进程之间要通信的话，难度是非常大的。

进程间通信的本质：操作系统需要直接或者间接给通信双方的进程提供一段 “内存空间”，并且要让不同的进程看到同一份资源（内存空间）。而这个内存空间不应该属于任何一个进程，而应该由操作系统来维护。

所以，进程间通信的最大成本就是：操作系统在设计的原生层面，进程是互相独立的，但是现在需要让它们之间进行通信。那么应该如何让不同的进程看到同一份资源。

2、进程间通信的目的

~ 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。
~ 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。
~ 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）。
~ 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。

3、进程间通信的分类

~ 管道：1、匿名管道pipe       2、命名管道 

~ System V IPC：1、System V 消息队列     2、System V 共享内存    3、System V 信号量

~ POSIX IPC：1、消息队列     2、共享内存     3、信号量    4、互斥量     5、条件变量    6、读写锁

进程间通信的必要性：如果只是使用单进程，那么也就无法使用并发能力，更加无法实现多进程协同工作。

本篇文章我们来具体讲一讲，管道的相关知识。

二、管道

1、管道基本介绍

什么是管道？

1、管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。
2、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”。

管道只能进行单向通信，用来传输资源：数据。

我们按下面的步骤来分析：

1、首先，父进程分别以读和写的方式，打开了一个文件。

2、然后，父进程fork创建了一个子进程，我们知道，子进程会继承父进程，指向同一个文件。

3、我们规定，父进程对文件写入，子进程对文件读取。关闭父子进程各自不需要的功能。即：父进程关闭读的文件描述符，子进程关闭写的文件描述符。

最终，通过该文件就实现了单向通信。这就是管道。管道的本质其实就是内存级文件。所以两个进程间通信的数据，不需要刷新到磁盘里。

为什么能够这样做？

文件有属于自己的内核缓冲区，所以父进程和子进程有一份公共的资源：文件系统提供的内核缓冲区，父进程可以向对应的文件的文件缓冲区写入，子进程可以通过文件缓冲区读取，此时就完成了进程间通信。

管道一般用来进行具有血缘关系的进程（父子进程）之间的通信。 

管道分为匿名管道和命名管道。下面我们就来具体讲一讲它们的内容。

2、匿名管道

通过文件名区分文件，但是如果当前进程的文件没有名字，这样的内存级文件称为匿名管道。匿名管道能用来父进程和子进程之间进行进程间通信。

匿名管道文件在磁盘上也没有实体，它只存在于内存中。

函数：pipe，调用成功返回0，调用失败返回-1。

SYNOPSIS
       #include <unistd.h>
       int pipe(int pipefd[2]);
DESCRIPTION
    pipe() creates a pipe，pipefd[0]  refers  to  the  read end of the pipe.  pipefd[1] refers to the write end of the pipe.
RETURN VALUE
       On success, zero is returned.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

我们首先创建管道文件，打开读写端：在pipefd数组中，pipefd[0]代表读，pipefd[1]代表写。

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>

using namespace std;

int main()
{
    // 创建管道
    int pipefd[2] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    assert(n != -1);
    (void)n;

    cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << endl;
    cout << "pipefd[1]: " << pipefd[1] << endl;

    return 0;
}

接着，我们fork创建子进程， 然后，我们关闭父子进程不需要的文件描述符，完成通信框架的建立：

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>

using namespace std;

int main()
{
    // 创建管道
    int pipefd[2] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    assert(n != -1);
    (void)n;

    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);
    if(id == 0)
    {
        //子进程
        close(pipefd[1]);

        exit(0);
    }

    //父进程
    close(pipefd[0]);

    return 0;
}

最后，我们通过父进程给子进程发送消息来检测通信：

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

using namespace std;

int main()
{
    // 创建管道
    int pipefd[2] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    assert(n != -1);
    (void)n;

    // 创建子进程
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);
    if (id == 0)
    {
        // 子进程
        close(pipefd[1]);
        char buffer[1024];
        while (true)
        {
            ssize_t mess = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));
            if (mess > 0)
            {
                buffer[mess] = 0;
                cout << "father process say: " << buffer << endl;
            }
        }

        exit(0);
    }

    // 父进程
    close(pipefd[0]);
    string message = "i am father ->";
    char buff[1024];
    int count = 0;
    while (true)
    {
        snprintf(buff, sizeof(buff), "%s[%d]: %d", message.c_str(), getpid(), count++);
        write(pipefd[1], buff, sizeof(buff));
        sleep(1);
    }

    pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);
    assert(ret > 0);
    (void)ret;

    close(pipefd[1]);
    return 0;
}

管道的特点：

1、管道是用来进行具有血缘关系的进程间的通信，常用于父子进程。

2、管道能够让进程间协同，提供了访问控制。

3、管道是面向字节流的。

4、管道的生命周期随进程，进程退出，管道释放。

5、管道是单向通信，是半双工通信的特殊情况。

6、内核会对管道操作进行互斥与同步。

下面我们针对管道的特点2，来进行演示：

~ 读快写慢

其余代码不变，我们仅让父进程在每次写入后，休眠10秒再写。

我们发现，父进程休眠期间，子进程会等待父进程写入后再读取。（如果管道中没有数据，读端在读，此时默认会直接阻塞当前正在读取的进程）

~ 读慢写快

我们让父进程不停地写入。

子进程休眠5秒后再读取。

拿着管道读端不读，写端一直在写：写端往管道里写，而管道是有大小的，不断往写端写，会被写满。 

管道是固定大小的缓冲区，当管道被写满，就不能再写了。此时写端会阻塞。而休眠结束后，子进程就会开始读取，这时父进程才能继续写入。

~ 关闭写入端

父进程写入端关闭：写完第一次后，父进程休眠6秒，然后结束循环，关闭写入端。

 父进程作为写入的一方，关闭了写入端，子进程作为读取的一方，read会返回0，表示读到了文件的结尾。这时我们让子进程结束循环，并退出。

~ 关闭读端

管道是单向的：读端关闭，再写入就没有意义了，这时OS会终止写端，会给写进程发送信号，终止写端。

为了方便观察，我们让父进程读取，子进程写入。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
	int pipefd[2] = { 0 };
	if (pipe(pipefd) < 0)
    { 
		perror("pipe");
		return 1;
	}
	pid_t id = fork(); 
	if (id == 0){
		//child
		close(pipefd[0]); 
		const char* msg = "hello father, I am child...";
		int count = 10;
		while (count--){
			write(pipefd[1], msg, strlen(msg));
			sleep(1);
		}
		close(pipefd[1]);
		exit(0);
	}
	//father
	close(pipefd[1]); 
	close(pipefd[0]); 
	int status = 0;
	waitpid(id, &status, 0);
	printf("child get signal:%d\n", status & 0x7F); 
	return 0;
}

操作系统向子进程发送的是SIGPIPE信号将子进程终止。 

3、命名管道

上面我们所讲的匿名管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。
而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。

一个进程打开了一个文件后，Linux内核里会有文件的struct file结构。如果还有第二个进程要打开这个文件，那么只要路径相同，那么两个进程打开的文件一定是同一个且是唯一的，那么第二个进程不需要继续创建struct file对象，因为OS会识别到打开的文件被打开了。

此时两个进程就看到了同一份资源，该文件也不需要把数据刷新到磁盘上去，不需要IO。

所以说，命名管道是真实存在于系统路径下的，只是它只有属性，没有内容。它能够使用open，close函数被打开或关闭。

mkfifo：也可以作为命令直接在指定路径下创建命名管道。mkfifo   命名管道名称

NAME
       mkfifo - make FIFOs (named pipes)

SYNOPSIS
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
RETURN VALUE
       On success mkfifo() returns 0.  In the case of an error, -1 is returned (in which case, errno is set appropriately).

下面我们就来使用一下：我们有三个文件，server.cc（读取端） ，client.cc（写入端） 是两个源文件，它们运行后会是两个不同且无关系的进程，我们来进行它们之间的通信。comm.h是一个头文件。

comm.h

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

using namespace std;

string ipcPath = "./fifo.ipc";
#define MODE 0666
#define SIZE 128

server.cc

#include "comm.hpp"

int main()
{
    // 1.创建命名管道
    int ret = mkfifo(ipcPath.c_str(), MODE);
    if (ret == -1)
    {
        perror("mkfifo");
        exit(1);
    }

    // 2.正常文件操作:通信
    int fd = open(ipcPath.c_str(), O_RDONLY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        exit(2);
    }
    char buffer[SIZE];
    while (true)
    {
        ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (s > 0)
        {
            cout << "client say :" << buffer << endl;
        }
        else if (s == 0)
        {
            cerr << "read the end of file ->  client quit, server quit too" << endl;
            break;
        }
        else
        {
            perror("read");
            break;
        }
    }

    close(fd);
    return 0;
}

client.cc

#include "comm.hpp"

int main()
{
    // 1.打开命名管道
    int fd = open(ipcPath.c_str(), O_WRONLY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    string buffer;
    while (true)
    {
        cout << "please enter message ->" << endl;
        getline(cin, buffer);
        write(fd, buffer.c_str(), buffer.size());
    }

    close(fd);
    return 0;
}

通信演示：

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