文章目录

一、进程间通信
- 1.1 进程间通信的概念
- 1.2 进程间通信的目的
- 1.3 进程间通信的本质
- 1.4 进程间通信的分类
二、管道
- 2.1 匿名管道
- - ① 匿名管道的使用场景
  - ② 匿名管道实现通信的原理
  - ③ 创建匿名管道 pipe函数
  - ④ fork共享管道
  - ⑤ 匿名管道的五个特点
  - ⑥ 匿名管道的四种特殊情况
- 2.2 命名管道
- - ① 命名管道的原理
  - ② 命名管道的FIFO文件和一般文件有什么区别
  - ③ 使用命令创建命名管道
  - ④ 使用接口创建一个命名管道
三、小节
四、相关题目

一、进程间通信

1.1 进程间通信的概念

进程之间可能会存在特定的协同工作的场景！

一个进程要把自己的数据交付给另一个进程，让其进行处理-》进程间通信

由于进程具有独立性，一个进程看不到另一个进程的资源！所以交互数据的成本一定很高，这时就需要操作系统参与设计通信方式。两个进程要互相通信，就要能看到一份公共的资源，这里的资源就是一段内存！这个公共资源属于操作系统！

进程间通信简称IPC（Interprocess communication），进程间通信就是在不同进程之间传播或交换信息。

1.2 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，比如进程终止时需要通知其父进程。
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。

1.3 进程间通信的本质

进程间通信的本质：其实就是由OS参与，提供一份所有通信进程都能看到的公共资源。

这段内存可能以文件的方式提供，也可能以队列的方式提供，也可能是原始的内存块。-》这也是通信方式有很多种的原因

由于各个运行进程之间具有独立性，这个独立性主要体现在数据层面，而代码逻辑层面可以私有也可以公有（例如父子进程），因此各个进程之间要实现通信是非常困难的。

各个进程之间若想实现通信，一定要借助第三方资源，这些进程就可以通过向这个第三方资源写入或是读取数据，进而实现进程之间的通信，这个第三方资源实际上就是操作系统提供的一段内存区域。
在这里插入图片描述
因此，进程间通信的本质就是，让不同的进程看到同一份资源（内存，文件内核缓冲等）。由于这份资源可以由操作系统中的不同模块提供，因此出现了不同的进程间通信方式。

1.4 进程间通信的分类

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

本文主要介绍管道

二、管道

管道本身是一个文件。用管道实现进程间的通信，实际上是通过文件来实现进程间的通信。

管道又分为匿名管道和命名管道，顾名思义，匿名管道，创建的管道名字是不知道的，命名管道，创建管道的名字是知道的。

注意：管道实现通信只能进程单向通信。一个进程读，一个进程写。

2.1 匿名管道

① 匿名管道的使用场景

匿名管道通常使用于有亲缘关系的进程之间，常用于父子进程。看完原理再来理解一下这句话。

有亲缘关系的进程，会继承同一个祖先进程的部分内容。其中files_struct是继承祖先进程的。可以使两亲缘关系的进程指向同一文件。

所以为什么子进程会默认打开stdin，stdout，stderr，但是子进程并没有执行open操作？

只需要祖先进程打开了stdin，stdout，stderr就好了，子进程会拷贝父进程内容。

write做了两件事：把数据从用户缓冲区拷贝到内核缓冲区，触发底层硬件的写入函数，写进磁盘文件。父进程往缓冲区里写入，如果缓冲区里的数据没有写入文件，这时子进程就能读取到缓冲区里的数据，达成通信，这就是管道

注意：

这里父子进程看到的同一份文件资源是由操作系统来维护的，这个文件不属于任何一个进程，所以当父子进程对该文件进行写入操作时，该文件缓冲区当中的数据并不会进行写时拷贝。
管道虽然用的是文件的方案，但操作系统一定不会把进程进行通信的数据刷新到磁盘当中，因为这样做有IO参与会降低效率，而且也没有必要。也就是说，这种文件是一批不会把数据写到磁盘当中的文件，换句话说，磁盘文件和内存文件不一定是一一对应的，有些文件只会在内存当中存在，而不会在磁盘当中存在。

② 匿名管道实现通信的原理

管道也是一个文件，站在文件的角度来理解管道实现通信的原理。

管道是一个文件，当一个进程以读和写的方式打开一个管道。再创建一个子进程，子进程会以父进程为模板，拷贝父进程的部分内容。此时file_strcut里的数组(文件描述符与文件的映射关系)会是父进程的拷贝。此时，父子进程都指向了管道文件(同一块空间)，并且子进程也是以读写方式打开的该文件(因为子进程会继承父进程代码，父进程在创建子进程之前以读写方式打开的文件)，如果一个进程对文件进行写，一个进程对文件进行读，由于两个进程指向同一空间，所以读进程拿到的数据就是写进程写进去的数据。此时就完成了对文件的通信。

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③ 创建匿名管道 pipe函数

pipe函数用于创建匿名管道，pip函数的函数原型，功能：创建匿名管道：

int pipe(int pipefd[2]);

pipe函数的参数是一个输出型参数，数组pipefd用于返回两个指向管道读端和写端的文件描述符：

数组元素	含义
pipefd[0]	管道读端的文件描述符
pipefd[1]	管道写端的文件描述符

pipe函数调用成功时返回0，调用失败时返回-1，并设置错误码。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
int main(){
    int fd[2] = {0};        
    //以读写方式打开管道
    int res = pipe(fd);
    if(res == 0){
        printf("fd[0]:%d,fd[1]:%d\n",fd[0],fd[1]);//打印：fd[0]:3,fd[1]:4	
        // 文件描述符fd：0 1 2 被标准输入 标准输出 标准错误 占据
    }
    else{
        perror("pipe error");
        exit(1);
    }
    return 0;
}

④ fork共享管道

原理
不同的进程，要用同一个匿名管道进行通信，则需要进程拥有该管道的读写两端的文件描述符，所以匿名管道只让能具有亲缘关系的进程进行进程间通信，且父进程需要先创建匿名管道，再创建子进程。如图所示：

上图中管道在内核空间，而父子进程的程序都在用户空间中。可以令子进程进行写，父进程进行读，关闭各自不用的文件描述符，仍可以进行单向通信。

程序

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    int pipefd[2] = {0};
    //父进程需要读写两端都打开，否则子进程继承下去就只有一个端口。
    if(pipe(pipefd)!=0){
        perror("pipe");
        return 1;
    }
    int id = fork();
    if(id > 0)//父进程
    {
        //parent写入
        close(pipefd[0]);//关闭父进程的pipe读端
        const char* msg = "i am father";
        while(1)
        {
            sleep(1);
            write(pipefd[1],msg,strlen(msg));
        }
        printf("father quit...\n");
        return 0;
    }
    else if(id == 0)//子进程
    {
        //child读取
        close(pipefd[1]);//关闭子进程的pipe写端
        char buff[64] = {0};
        while(1)
        {
            sleep(1);
            ssize_t s = read(pipefd[0], buff, sizeof(buff)-1);

            if(s>0)
            {
                buff[s] = 0;//C语言里字符串以0表示结束
                printf("i am child,i read:%s\n",buff);
            }
            else if(s==0)
            {
                break;
            }
            else
            {
                break;
            }
        }
    }
    else{
        //error
    }

    return 0;
}

运行结果：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Mv9uLhQh-1673141600673)(null)]

⑤ 匿名管道的五个特点

**① 管道内部自带同步与互斥机制 ** 👈

我们将一次只允许一个进程使用的资源，称为临界资源。管道在同一时刻只允许一个进程对其进行写入或是读取操作，因此管道也就是一种临界资源。

临界资源是需要被保护的，若是我们不对管道这种临界资源进行任何保护机制，那么就可能出现同一时刻有多个进程对同一管道进行操作的情况，进而导致同时读写、交叉读写以及读取到的数据不一致等问题。

为了避免这些问题，内核会对管道操作进行同步与互斥：

同步： 两个或两个以上的进程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。比如，A任务的运行依赖于B任务产生的数据。
互斥： 一个公共资源同一时刻只能被一个进程使用，多个进程不能同时使用公共资源。

实际上，同步是一种更为复杂的互斥，而互斥是一种特殊的同步。对于管道的场景来说，互斥就是两个进程不可以同时对管道进行操作，它们会相互排斥，必须等一个进程操作完毕，另一个才能操作，而同步也是指这两个不能同时对管道进行操作，但这两个进程必须要按照某种次序来对管道进行操作。

也就是说，互斥具有唯一性和排它性，但互斥并不限制任务的运行顺序，而同步的任务之间则有明确的顺序关系。

**② 管道的生命周期随进程 **👈

管道本质上是通过文件进行通信的，也就是说管道依赖于文件系统，那么当所有打开该文件的进程都退出后，该文件也就会被释放掉，所以说管道的生命周期随进程。

如果一个文件只被当前进程打开，相关进程退出了（会自动递减struct file的ref引用计数），被打开的文件会被操作系统自动关闭（ref为0）

③ 管道提供的是流式服务 👈

对于进程A写入管道当中的数据，进程B每次从管道读取的数据的多少是任意的，这种被称为流式服务，与之相对应的是数据报服务：

流式服务： 数据没有明确的分割，不分一定的报文段。
数据报服务： 数据有明确的分割，拿数据按报文段拿。

④ 仅限于父子通信 👈

具有血缘关系的进程之间可以进行通信，常用于父子间通信

⑤ 管道是半双工通信的 👈

在数据通信中，数据在线路上的传送方式可以分为以下三种：

单工通信(Simplex Communication)：单工模式的数据传输是单向的。通信双方中，一方固定为发送端，另一方固定为接收端。
半双工通信(Half Duplex)：半双工数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输。
全双工通信(Full Duplex)：全双工通信允许数据在两个方向上同时传输，它的能力相当于两个单工通信方式的结合。全双工可以同时(瞬时)进行信号的双向传输。

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

⑥ 匿名管道的四种特殊情况

在使用管道时，可能出现以下四种特殊情况：

写端进程不写，读端进程一直读，那么此时会因为管道里面没有数据可读，对应的读端进程会被挂起，直到管道里面有数据后，读端进程才会被唤醒。
读端进程不读，写端进程一直写，那么当管道被写满后，对应的写端进程会被挂起，直到管道当中的数据被读端进程读取后，写端进程才会被唤醒。
如果写端关闭了，读端读完pipe内部的数据然后再读，会读到0，表明读到文件结尾。
读端关闭，写端还在写入，此时OS会直接终止写入进程。如果父进程是读端，父进程能waitpid得到子进程的退出信号，父进程会收到SIGPIPE信号，13号信号。

前面两种情况就能够很好的说明，管道是自带同步与互斥机制的，读端进程和写端进程是有一个步调协调的过程的，不会说当管道没有数据了读端还在读取，而当管道已经满了写端还在写入。读端进程读取数据的条件是管道里面有数据，写端进程写入数据的条件是管道当中还有空间，若是条件不满足，则相应的进程就会被挂起，直到条件满足后才会被再次唤醒。

第三种情况也很好理解，读端进程已经将管道当中的所有数据都读取出来了，而且此后也不会有写端再进行写入了，那么此时读端进程也就可以执行该进程的其他逻辑了，而不会被挂起。

第四种情况也不难理解，既然管道当中的数据已经没有进程会读取了，那么写端进程的写入将没有意义，因此操作系统直接将写端进程杀掉。而此时子进程代码都还没跑完就被终止了，属于异常退出，那么子进程必然收到了某种信号。

2.2 命名管道

为了解决匿名管道只能父子通信的问题，引入了命名管道

① 命名管道的原理

先创建一个命名管道。一个进程以读或者写的方式来打开该管道文件，另外一个进程不需要创建管道，只需要以写或者读的方式来打开管道文件。再调用读写系统调用来往文件写或者读，来进行进程间通信。

② 命名管道的FIFO文件和一般文件有什么区别

先说匿名管道的缺点，匿名管道无法让两个没有关系的进程通信。原因在于他是基于内存的，其他进程没有办法找到这块内存，也就没有办法通信了。那么命名管道的意义就在于，他有了名字，有了名字，每个进程就能找到他，也就可以完成通信了。具体的实现来说，命名管道的文件不是用来承载数据的，而且用来做地址用的，为了让每个进程都能通过这个地址进入通信的大门，假设他对应的文件名是a，进程1打开a的时候，拿到一个fd，file，inode，操作系统判断这个文件类型，知道是命名管道文件，会给他分配一块内存，这时候你操作这个文件的时候，数据是写到内存里的，同理，这时候进程2也打开这个文件，也拿到一个fd，file，inode。但是一个文件只有一个inode。所以他们操作的是同一个inode，那就意味着他们操作的是同一块内存，这样就可以通信了。最后，两个进程通过一个一般文件通信当然也是可以的。但是会涉及到硬盘的操作，效率自然就会低。

我们通常用 路径+文件名 标识一个磁盘文件，它们具有唯一性。

A，B两个进程如何看到并打开同一个文件的？先将文件数据打开到内存当中，如：写数据时不刷新到磁盘中，数据临时保存在内存，然后两个进程就能通过路径+文件名看到同一份资源。

管道的生命周期随进程，本质是内核中的缓冲区，命名管道文件只是标识，用于让多个进程找到同一块缓冲区，删除后，之前已经打开管道的进程依然可以通信

命名管道和匿名管道一样，都是内存文件，只不过命名管道在磁盘有一个简单的映像，但这个映像的大小永远为0，因为命名管道和匿名管道都不会将通信数据刷新到磁盘当中。

③ 使用命令创建命名管道

我们可以使用mkfifo命令创建一个命名管道。

可以看到，创建出来的文件的类型是p，代表该文件是命名管道文件。

简单使用这个命名管道：

在这里插入图片描述

④ 使用接口创建一个命名管道

在程序中创建命名管道使用mkfifo函数，mkfifo函数的函数原型如下：

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);//在man的3号手册

参数

mkfifo函数的第一个参数是pathname，表示要创建的命名管道文件。

若pathname以路径的方式给出，则将命名管道文件创建在pathname路径下。
若pathname以文件名的方式给出，则将命名管道文件默认创建在当前路径下。（注意当前路径的含义）

mkfifo函数的第二个参数是mode，表示创建命名管道文件的默认权限。

将mode设置为0666，则命名管道文件创建出来的权限如下：
在这里插入图片描述
但实际上创建出来文件的权限值还会受到umask（文件默认掩码）的影响，实际创建出来文件的权限为：mode&(~umask)。umask的默认值一般为0002，当我们设置mode值为0666时实际创建出来文件的权限为0664。

若想创建出来命名管道文件的权限值不受umask的影响，则需要在创建文件前使用umask函数将文件默认掩码设置为0。

umask(0); //将文件默认掩码设置为0

返回值

命名管道创建成功，返回0。
命名管道创建失败，返回-1。

代码演示

我们在一个进程（serve进程）中创建管道文件，并从中读取数据，在另一个进程（client进程）当中每秒向管道文件里面写入一次数据。

client进程运行后，进程serve会每秒从命名管道中读取数据。这就证明了这两个毫不相关的进程可以通过命名管道进行数据传输，即通信。

有了命名管道后，让通信双方进行文件操作即可，推荐使用系统调用接口，库函数接口也可以，但是会有用户缓冲区的一些问题。

在这里插入图片描述

共用头文件的代码如下：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-uTQlzEgA-1673141600715)(null)]

命名管道的数据为了效率，不会刷新到磁盘！

为什么pipe叫匿名管道？因为它是通过父子继承的方式，看到同一份资源不需要名字来标识同一个资源！

为什么fifo叫命名管道？因为命名管道具有名字，这是为了保证不同的进程可以看到同一个文件，所以必须有名字！

三、小节

匿名管道还是命名管道都是通过文件的方式，来让两个进程看到同一份资源。通过一个进程对文件进行写操作，一个文件进程读操作，来实现进程间的通信。

管道实现进程通信是单向的。同步和互斥的。

匿名管道适用于具有血缘关系的进程，命名管道可以用于不相关的进程。

管道本质是内核中的一块缓冲区（命名管道和匿名管道），多个进程通过访问同一块缓冲区实现通信。
使用int pipe(int pipefd[2])接口创建匿名管道，pipefd[0]用于从管道读取数据，pipefd[1]用于向管道写入数据。
管道特性：半双工通信，自带同步与互斥，生命周期随进程，提供字节流传输服务。
在同步的提现中，若管道所有写段关闭，则从管道中读取完所有数据后，继续read会返回0，不再阻塞；若所有读端关闭，则继续write写入会触发异常导致进程退出

理解一个命令：who | wc - l

中间的’|‘是一个匿名管道，who和wc是两个进程，’|'系统通过pipe创建一个匿名管道，bash创建子进程who，bash再创建子进程wc，who和wc是兄弟进程。who和wc都会继承bash的匿名管道文件。who和wc看到统一资源，who往管道写数据，wc从管道读数据。往后数据写完退出，wc读数据到最后也退出了。