【Linux进程间通信】匿名管道

作者：爱写代码的刚子

时间：2023.11.21

前言：本篇博客将会介绍匿名管道的运用

进程间通信介绍

前言：因为进程独立性的存在，导致进程通信的成本比较高。为什么要进行进程间通信？基本数据，发送命令，某种协同，通知。

进程间通信目的

• 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。

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”由操作系统提供，为什么不是我们两个进程中的一个呢？假设一个由一个进程提供，这个资源被这个进程独有，破坏进程独立性。

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，都是调用系统调用接口！从底层设计，从接口设计，都要由操作系统独立设计。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通信模块定制标准（进程间通信是有标准的）——System V &&posix

进程间通信发展

• 管道

• System V进程间通信

• POSIX进程间通信

进程间通信分类

管道

• 匿名管道pipe
• 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

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“

• who | wc -l统计在云端服务器中的用户个数。

管道打开的是内存级文件（管道就是文件），每个文件有着对应的缓冲区，不同进程打开同一个文件时存在引用计数来进行控制。

管道并不支持同时读写！

回顾文件系统：

无论对文件怎么读写，首先都需要将文件加载到内存中。既然如此，我们也可以创建一个内存级文件（技术上可行）。

注意！！！！！，如果该进程创建了子进程，子进程中的struct file*fd_arry数组中存放相同的指针，但是指向的文件相同！！！！

• 所以存在引用计数解决父进程关闭子进程仍然在读取文件的情况。

用fork来共享管道原理

站在文件描述符角度——深度理解管道

• 注意，如果两个进程间没有关系（看不到同一份资源），就不能用上述方法进行通信，如果要通信，则需要采用下面匿名管道的方法。

• 所以要想进行上述通信，进程间必须是父子关系，兄弟关系，爷孙关系…（血缘关系，常用于父子关系）

站在内核角度——管道本质

• 【问题】：管道只能单向通信，如果我们需要进行双向通信呢？（建立多个管道）

• 至此进程间通信了吗？没有，只是建立了通信信道——为什么怎么费劲？？——进程具有独立性，通信是有成本的！！！

匿名管道

#include <unistd.h>

功能:创建一无名管道

原型

int pipe(int fd[2]);int fd[2]为输出型参数，将文件的文件描述符数字带出来，让用户使用！！（pipefd[0]:读下标，pipefd[1]:写下标）

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

• 简单的代码示例：

示例一：查看pipefd数组的值

一般来说==pipefd[0]为读，pipefd[1]为写==。

示例二：子进程打印数据父进程读取数据：

示例代码：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstdlib>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#define N 2
#define NUM 1024

using namespace std;

void Writer(int wfd)
{
    string s = "hello";
    pid_t self = getpid();
    int number = 0;

    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        buffer[0]=0;//字符串清空，将这个数组当作字符串
        snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s-%d-%d",s.c_str(),self,number++);

        write(wfd,buffer,strlen(buffer));//strlen(buffer)不需要加1，c语言规定的‘\0’不关文件的事，只需要文件内容即可
        sleep(1);
    }
}

void Reader(int rfd)
{
    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        buffer[0] = 0;
        ssize_t n = read(rfd,buffer,sizeof(buffer));//注意 sizeof != strlen，管道满了怎么办？管道有面向字节流概念，之后学习网络会提到（定协议去区分）。
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;// 0 == '\0'当作字符串
            cout<< "父进程得到了一个消息："<< getpid() << "]#" << buffer <<endl;
        }
    }
}

int main()
{
    int pipefd[N] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    if(n<0)return 1;

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

    pid_t id = fork();
    if(id < 0) return 2;
    if(id == 0)
    {
        //子进程
        close(pipefd[0]);//关闭读

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

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

    //IPC code
    Reader(pipefd[0]);

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

结果：

• 父子进程在对同一份数据进行访问时，这份资源是多执行流共享的，难免会出现访问冲突的问题。（临界资源竞争的问题）但是父子进程会进行协同。对于管道文件会发生同步与互斥————保护管道文件的数据安全。

• 同时子进程向管道中写入的都是字符，父进程进行读取时也是字符，所以不会出换行的情况。（忽视分隔符等特殊符号，就相当于字节）（管道是面向字节流的）

总结：

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——保护管道文件的数据安全（多线程）
4. 管道是有固定大小的（会被写满，但是在不同的内核里大小不同）
5. 管道是面向字节流的（网络）
6. 管道是基于文件的，而文件的生命周期是随进程的

• ulimit -a查看相关的限制（open files表示单个进程最多打开文件的个数 ）

• man 7 pipe查看管道大小

• 官方文档中说了，如果读取的数据小于PIPE_BUF，读取操作就必须是原子的

在myshell中添加管道的实现：

思路：

• 分析输入的命令行字符串，获取有多少个|, 命令打散多个子命令字符串

• malloc申请空间，pipe先申请多个管道

• 循环创建多个子进程，每一个子进程的重定向情况。最开始. 输出重定向, 1->指定的一个管道的写端

• 中间：输入输出重定向， 0标准输入重定向到上一个管道的读端 1标准输出重定向到下一个管道的写端

• 最后一个：输入重定向，将标准输入重定向到最后一个管道的读端

• 分别让不同的子进程执行不同的命令— exec* — exec*不会影响该进程曾经打开的文件，不会影响预先设置好的管道重定向

管道读写规则

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. 写端是正常写入，读端关闭了。操作系统就要杀掉正在写入的进程。（通过信号干掉）

• 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。

• 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

• 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0

• 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

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

• 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。

管道特点

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。

管道提供流式服务

一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程

一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥

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

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