[Linux] 进程间通信基础

💻文章目录

📄前言
进程间通信基础
- 概念
管道
- 概念
- 管道的工作原理
- 模拟实现shell中的管道
共享内存
- 概念
- 接口的介绍
- 共享内存的使用
📓总结

📄前言

你是否了解进程间是如何通信的呢？你是否知道管道的工作原理呢？管道是Linux中最基本的也是最常用的进程间通信手段，----（Todo）

进程间通信基础

概念

进程间通信（Inter-Process Communication）简称IPC，是不同进程之间传递数据的手段、接口。它是多进程间协同工作的核心机制。

Linux 主要的IPC接口有：

管道（pipe）
信号（Signal）
共享内存（Shared Memory）
信号量（Semaphore）
消息队列（Message Queue）
套接字（Socket）

本文将着重介绍管道与共享内存两种方式。

管道

概念

管道大概是最多Linux用户使用过的一种的IPC接口了吧，只要有学过控制台代码，你就一定会认识它。它是一种先进先出的结构，数据的流向是单向的，最简单的使用管道的方法就是在 shell 中使用 “ | ”.

echo "管道的使用方法" | grep "test.c"
# 其功能就像它的名字，将进程数据通过一个管子传到另一个进程
# [进程A] ---> |管道| ---> [进程B]

管道的类型有两种

匿名管道： 主要用于父子进程间的通信，在文件系统中没有一个实际的名称，进程结束便消失。
命名管道： 可用于不同进程之间的通信，与匿名管道不通命名管道在文件系统中有一个实际名称，可长久存在，并且可以通过两个管道来实现双向通信。

管道的工作原理

管道在实质上可以看成缓冲区，一端用于写，一端用于读。在进程将数据写入管道时，数据被储存在系统内核的缓冲区中，而不是直接存到管道文件中，管道文件只是作为一个标识符用于不同进程打开管道。正所谓实践出真知，其他的原理，让我们通过 Coding 来知晓吧。

匿名管道的使用：

// 匿名管道与命名管道的使用

// 头文件 unistd.h
// int pipe(int pipefd[2]);
// pipefd[0]被设为管道的读端，[1]为写端

const char *msg = "i like linux!";

void test_1()
{
    char buf[1024] = {0};
    int fd[2];
    pipe(fd);
    pid_t id = fork();	//生成子进程
    if(id < 0)  exit(1);
    else if(id == 0)	// 子进程入口
    {
        close(fd[0]);
        write(fd[1], msg, strlen(msg));
        close(fd[1]);
        exit(0);
    }
    // 父进程
    close(fd[1]);   //关闭读端
    read(fd[0], buf, sizeof(buf));
    printf("%s\n", buf);	
    close(fd[0]);
    wait(NULL);	//等待子进程结束
}

//  	  父进程                          子进程
//  +----------------+             +----------------+
//  |                |   系统缓冲区  |                |
//  |   写入 fd[1]    |------------>|   读取 fd[0]   |
//  |                |     管道     |                |
//  +----------------+             +----------------+
//		写入端						    读入端

// 你可能会有些疑问，为什么要用这么多个close。
// 关闭不需要用的文件描述符是个良好的编程习惯
// 因为文件描述符是有限的资源，而且不关闭会在某些情况下，导致进程阻塞。

命名管道的使用：

// 头文件 sys/types.h sys/stat.h
// int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode) 创建管道文件
// pathname:管道的名称    mode：设置文件的权限。

// server.cpp
int main()
{
    int ret = mkfifo("fifo", 0644);
	const char* msg = "server：i love linux"
    int fd = open("fifo", O_WRONLY);	// O_WRONLY：只写模式

    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        write(fd, msg, strlen(msg));	//读端没有打开，进程则会阻塞
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

// client.cpp
int main()
{
    int fd = open("fifo", O_RDONLY);  // O_RDONLY:只读模式
    char buf[1024];

    while (1)
    {	// 如果管道写端没有打开，进程则会阻塞
        ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
        buf[n] = '\n';
        if (n == 0)	// 读端断开连接，返回0
        {
            printf("process exit\n");
            return 0;
        }
        else if (n > 0)
        {
            write(1, buf, n + 1);	// 向标准输出打印
        }
    }

    return 0;
}

管道的读写规则：

当管道读写端任意一端未打开，则进程会阻塞等待。
管道写满了，尝试写入的进程会阻塞
管道无数据可读，如果写端关闭则返回0，写端没有关闭则阻塞进程。

模拟实现shell中的管道

int main()
{
    int pipefd[2];
    
    if(pipe(pipefd) == -1 && errno != EEXIST)
    {
        perror("pipe");
        exit(1);
    }

    pid_t pid = fork();
    if(pid == 0)
    {	//子进程
        dup2(pipefd[1], STDOUT_FILENO);	
        //dup = duplicate（复制），将pipefd[1]复制到标准输出（1号）
        // 像标准输出打印的数据都讲传入管道写端
        close(pipefd[0]);	
        close(pipefd[1]);	// 已经将其复制到标准输出，可以关闭
        char* argv[] = {"ls", "-l", nullptr};
        execvp(argv[0], argv);	//执行命令
        exit(0);
    }

    pid_t pid2 = fork();
    if(pid2 == 0)
    {	//子进程
        dup2(pipefd[0], STDIN_FILENO);	//将fd[0]复制到标准输入
        close(pipefd[0]);
        close(pipefd[1]);

        char* argv[] = {"grep", (char*)"test", nullptr};
        execvp(argv[0], argv);
        exit(0);
    }

    close(pipefd[0]);
    close(pipefd[1]);
    wait(nullptr);
    wait(nullptr);

    return 0;
}

共享内存

概念

共享内存是所有IPC机制中最快的一种机制，它能使得多个进程访问同一块内存区域，而不用在进程间复制拷贝。 例如管道，它实际就是系统中的一块缓存区，两个进程间交流就必须将缓冲区的数据拷贝的自己内存中。共享内存则是在物理内存中开辟一段空间，然后通过页表将其映射到程序的共享区，进程直接对内存进行读写。

+---------+         +-------------------+        +---------+
|         |  ---->  |                   |  <---- |         |
| Process |         |   Shared Memory   |        | Process |
|    A    |  <----  |       Segment     |  ----> |    B    |
|         |         |                   |        |         |
+---------+         +-------------------+        +---------+
     ^                                               ^
     |                                               |
    Read                                           Write

接口的介绍

在使用共享内存前，必须先简单介绍一下System V 与 POSIX，它们是UNIX系统的两种不同系统标准，而在Linux上他们两者的接口都有兼容，接下来我们要使用的共享内存属于System V的。

要使用共享内存就得先知道如何检查系统中的共享内存，以及如果程序遇到异常时，如何删除共享内存。

#显示共享内存
ipcs -m 
# 使用 ipcs 命令来检查system V的通信信息，默认情况下显示所有的资源。

# 删除共享内存
ipcrm [shm|msg|sem] ID ... 
# 选项
# -m 根据共享内存的shmid来删除
# -M 根据共享内存的shmeky来删除

共享内存的接口：

// 接口介绍
// 涉及头文件： <sys/ipc.h> <sys/shm.h>

key_t ftok(const char* pathname, int proj_id);
//使用ftok来生成唯一的key值，参数为路径名与项目ID

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);	
// 返回值为shmid
// 根据key来生成共享，size为共享内存的字节数只能为1024的倍数。
// shmflg:共享内存的权限，一般使用像 0644，IPC_CREAT、IPC_EXCL等。

// 挂载共享内存
void* shmat(int shmid, const void* shmaddr, int shmflg);
// shmid 为shmget的返回值
// shmaddr：将共享内存连接到当前进程地址空间的特定地址
// shmflg:一般为0或者SHM_RDONLY（只读）

//取消挂载共享内存
int shmdt(const void* shmaddr);
// shmaddr :共享内存的地址

//控制共享内存
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds* buf);
// shmid:共享内存的id号
// cmd：控制命令，一般为IPC_STAT(获取共享内存的状态)、IPC_SET（设置共享内存的参数）、IPC_RMID（删除共享内存）
// buf:指向shmid_ds 结构的指针，用于设置共享内存或存储共享内存的状态。

共享内存的使用

共享内存主要用于两个不同进程数据的交流，这里将使用两个不同进程，一个用于写数据，一个用于读数据。因为共享内存的读写是无法预测的（对方不知道你何时写了），所以需要用到命名管道来辅助。

server.cpp：

// server.cpp
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>

const char* pathname = "/home/catianri/code";

const int project_id = 0x11223344;

int main() {
    key_t key = ftok(pathname, project_id); // 创建唯一的key
    int cnt = 0, code = 0;	// code用于通知对方进程，已经开始写入。
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT); // 创建共享内存

    mkfifo(".fifo", 0666);	//创建命名管道
    int fd = open(".fifo", O_WRONLY);	

    int* arr = static_cast<int*>(shmat(shmid, nullptr, 0)); // 将共享内存附加到进程的地址空间
    while(cnt < 10)
    {
        arr[cnt++] = cnt;	// 向共享内存写入数据 
        write(fd, &code, sizeof(int));	// 通知另一个进程
        sleep(1);
    }

    shmdt(arr); // 断开共享内存连接

    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); // 销毁共享内存
    close(fd);

    return 0;
}

client.cpp：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <cstring>

const char* pathname = "/home/catianri/code";

const int project_id = 0x11223344;

int main() {
    key_t key = ftok(pathname, project_id); // 使用相同的文件和项目ID来创建key
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT); // 连接到共享内存

    int *arr = static_cast<int*>(shmat(shmid, nullptr, 0)); // 将共享内存附加到进程的地址空间
    mkfifo(".fifo", 0666);
    int fd = open(".fifo", O_RDONLY);
    int* code, cnt = 0;

    while(1)
    {
        ssize_t n = read(fd, &code, sizeof(int));
        if(n == 0)	//server已经断开写端
        {
            close(fd);
			std::cout << "process exit" << std::endl;
        }
        else 
        {	//拿取共享内存中的数据。
            std::cout << arr[cnt++] << " ";
            fflush(stdout);	//刷新缓冲区。
        }
    }

    shmdt(arr); // 断开共享内存连接

    return 0;
}

共享内存的特点：

高效性： 共享内存是最快的IPC方式，它允许进程直接访问共享数据，避免了拷贝操作。
灵活性： 共享内存提供了高度的灵活性，开发者可以根据需要自定义共享数据的结构和管理方式。
手动同步： 由于可以多进程同时访问，所以需要外部同步机制。
复杂性： 与其他IPC机制（如管道和消息队列）相比，共享内存的使用和管理更为复杂。

📓总结

特性	管道	System V共享内存
性能和效率	数据需要在进程间复制，存在额外的CPU开销和延迟。	允许多个进程直接访问同一内存区，减少了数据复制，提高了效率。
使用场景	适用于顺序数据流通信，常用于父子进程或紧密相关进程间。	适用于性能要求高的场景，如大数据处理、实时系统，因为它几乎无延迟地实现数据共享。
同步机制	自带同步机制，写入端和读取端会在必要时阻塞，直到对方准备好。	需要额外的同步机制（如信号量、互斥锁）来防止数据竞争和保证一致性。
容错性和可靠性	相对简单可靠，但需要正确处理EOF和管道破裂等情况。	需要仔细管理资源和同步，避免竞态条件、死锁或数据损坏。
易用性	API简单，容易实现和维护，但功能有限。	提供了一套功能丰富的API，但相较于管道，使用和维护更加复杂。