Linux——进程通信（一）匿名管道

news2024/12/24 3:45:39

前言

一、进程间通信

二、匿名管道的概念

三、匿名管道的代码实现

四、管道的四种情况

1.管道无数据，读端需等待

2.管道被写满，写端需等待

3.写端关闭，读端一直读取

4.读端关闭，写端一直写入

五、管道的特性

前言

之前我们学习的进程，都是进程自己干自己的事情，最多就父进程等待一下子进程，两个进程自己完成自己的任务，并没有太多关系，虽说进程具有独立性，但进程并不孤僻，进程之间交流是可以完成的，今天我们就来学习进程通过匿名管道进行通信，匿名管道并不难，不要被它名字唬住了。

一、进程间通信

进程间通信的目的如下

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。

要实现这些目的的前提，就是进程间可以通信起来。但是我们知道进程具有独立性，如果数据传输通过数据拷贝的方式进行，也就是将A进程的数据直接拷贝给B进程，这样就破坏了进程的独立性。这时就需要一个AB进程都能去到的地方，往这个共享区进行读写，这样就能保证进程独立性的同时，还实现了通信的功能，操作系统就很适合当这个中间人。

进程间通信的本质：让不同的进程看到同一份资源。

进程间通信分类分为管道、System V进程间通信、POSIX进程间通信。今天我们着重学习管道中的匿名管道。

二、匿名管道的概念

        首先，我们知道一个进程有他的task_struct，这里面有一个指向文件结构体的指针，该文件结构体里面存在文件标识符数组，数组0号下标指向键盘（stdin），1指向显示器（stdout），2指向显示器（stderr）。

        现在，我新打开一个文件，那么该文件的文件标识符就为3，此时我fork创建子进程，子进程要继承父亲的task_struct、虚拟地址空间、页表等等，都继承了task_struct了，那么files_struct也要继承一份（因为如果共用files_struct，那么子进程想打开新的文件，肯定会往文件标识符数组里面写内容，那么父进程也会看见，这岂不是破坏了进程的独立性）。

        既然files_struct也继承了，里面指向的新文件也肯定继承了，文件有文件缓冲区，如果我父进程往该文件进行写入，子进程对文件进行读取，这样是不是就完成了进程间的通信。（注意：虽然文件缓冲区一般情况是要刷新到磁盘中的，但是这里文件只充当了管道的作用，刷新到磁盘再读取磁盘的效率非常低，因此这里并不会涉及到磁盘，只是内存级别的数据拷贝）

但是这里还存在一点小问题，就是父进程如果只是只读方式打开文件，那么子进程也是只读的方式打开文件，并不能写入，因此需要父进程同时对一个文件进行打开读取和打开写入操作，子进程继承下来后，既可以读取又可以写入，那么到时候，我想让子进程写，父进程读，就只需关闭子进程读，父进程写就可以了，反之亦然。

我们对同一文件进行读和写，在内核数据结构中实际上会生成两个struct file，只不过这两个struct file，都指向的是同一个inode，同一个缓冲区。进程关闭文件时，将文教标识符数组清空，file里面的引用计数 -- ，进程就不管文件了，但操作系统还得判断当前文件引用计数是否为0，为0证明没有进程还在使用该文件，就可以关闭，不为0就不会真正的关闭。

这就是管道名字的由来，只支持一边读，另一边写，是半双工的一种特殊方式。同时这个管道我们并不关心它的名字，因此叫做匿名管道。

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。

在linux命令中，| 就是管道，可以将输出的信息读取给后面的命令处理。

三、匿名管道的代码实现

由于管道接口是不需要将数据刷新到外设，因此接口需要特殊设计。

#include 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

我们直接上代码，利用pipe创建管道，子进程去写数据，父进程来读数据

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <stdlib.h>
#include <cstring>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;

#define MAX 1024
int main()
{
    // 建立管道
    int pipefd[2] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    assert(n==0);   //release模式不会执行

    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    // 子写 父读
    if (id == 0)
    {
        // child
        close(pipefd[0]);
        char message[MAX];
        int cnt = 10;
        while(cnt)
        {
            snprintf(message, MAX, "hello father,I am child,pid: %d,cnt: %d ", getpid(),cnt);
            write(pipefd[1],message,strlen(message));
            cnt--;
            sleep(1);
        }
        exit(0);
    }

    // 父进程
    close(pipefd[1]);
    char buff[MAX];
    while (true)
    {
        ssize_t n = read(pipefd[0], buff, MAX - 1);
        if (n > 0)
        {
            buff[n] = '\0';
            cout << getpid()<<", child say:" << buff << "to me!" << endl;
        }
    }
    pid_t rid = waitpid(id, NULL, 0);
    if (rid = id)
    {
        cout << "wait success" << endl;
    }
    return 0;
}

成功进行数据通信