操作系统：进程间通信

1.进程间通信介绍

1.1.简要介绍

1.2.进程间通信的目的

1.3.进程间通信的本质

2.管道

2.1.管道的通信原理

2.2.匿名管道

2.3.命名管道

2.4.基于匿名管道的进程池demo

2.4.1.进程池的相关引入

2.4.2.整体框架的分析

2.4.3.代码的实现

1.进程间通信介绍

1.1.简要介绍

进程间通信（Inter-Process Communication，简称IPC）是指在不同进程之间传播或交换信息

我们知道：进程之间是独立的，所以进程之间的进程间通信一定不是两个进程直接通信的，为了保证进程间的独立性和实现进程间通信，操作系统就设计了若干种进程间通信方式，来实现多进程之间的协同工作。

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（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。

1.3.进程间通信的本质

进程间通信就是不同的进程通过操作系统这一个中间媒介，结合设计好的通信方式来进行通信的，本质上就是实现不同的进程能够访问到同一份资源，并从资源上获取信息。

比如存在进程A、B，其中A进程写入数据进入缓冲区，而B进程从这一块缓冲区中读取内容，这时A、B并没有之间接触，而是从中间商“缓冲区”处使得B进程获取信息。
同理，A、B进程可以从某一块缓冲区中读取数据。

2.管道

管道是一种基于文件系统的进程间通信方式，管道文件允许访问它的进程，通过它来对一块缓冲区的数据进行访问，通过进程对这一块缓冲区进行读写，来实现进程间数据的交换。

2.1.管道的通信原理

生活中，我们见到的管道，当有流形成时，这个管道在某一个时刻或者时间段都是只允许单向流通的，比如水管中水的流动一般都是单向的，我们也没有见过管道发挥功能时，先向左流再从右往左流吧……

进程间的管道通信也是如此，一般来说：管道这种通信方式是单向流动的

因为进程具有独立性，所以进程是不能够直接进行通信的，比如A，B进行通信，只允许进行A--中间渠道--B或者B--中间渠道--A ，所以管道的通信原理就是作为中间渠道，在操作系统中，系统实现管道的功能是通过加载进内存的文件缓冲区实现的，并没有实际对管道文件进行操作，而是通过A/B往缓冲区读/写内容，然后B/A进行读/写……

另外管道的通信具有以下4种情形（规定）和三种特性：

四种情形：

正常情况下，如果管道中没有数据，也就是写端当前没有写入时，读端必须等待，直到写端提供数据。
如果管道中的数据写满时，如果需要继续写入，写端必须等待，直到读端读取完数据，写端才可以继续写入。
写端关闭时，读端直接接收到read()函数的返回值为0，表示读取结束，读到文件结尾。
读端关闭时，写端不会直接关闭，如果写端仍不断写入，操作系统会介入杀掉写端进程。

三种特性：

管道是单向通信的，是一种半双工通信
管道是面向字节流的，也就是对应C++IO流中的字符流，管道可以是整型流、字符流
管道的生命周期是伴随进程的，因为管道通信的本质就是通过文件系统在内存中开辟一块缓冲区，来间接实现进程间通信的

基于4种情形和三种特性，操作系统实现了两种管道通信方式：匿名管道和命名管道，前者只能用于具有血缘关系的进程，后者能用于所有进程……

2.2.匿名管道

C语言提供创建匿名管道的函数方法：

接下来我们通过匿名管道的测试来探究一下其原理：

// 匿名管道的测试
void test1()
{
    // 设置管道的文件描述符数组
    int pipefd[2] = {0};
    // 将fd传入pipe接收返回值
    int n = pipe(pipefd);

    // 返回值为3，4表示占用了文件指针数组第3个、第4个文件
    cout << pipefd[0] <<" "<< pipefd[1] << endl;

    int pipefd1[2] = {0};
    int m = pipe(pipefd1);
    cout << pipefd1[0] << " " << pipefd1[1] << endl;
}

通过这段代码的测试，我们发现除了0（stdin），1（stdout），2（stderr），我们在创造一个匿名管道时，会占用两个文件fd，在实际应用时，这两个文件分别负责读写功能，为什么需要这样设计呢？

首先我们要知道匿名管道只有拥有血缘关系的进程才可以使用的！！！

我们先从最简单的管道通信----父子进程通信出发：

如图这就是：匿名管道通信的原理，通过管道函数，在进程中开辟两个文件来实现读写功能，再通过进程的拷贝，实现对同一个文件的读写，最终各自释放一个读/写端，实现单向通信。

下面是一个父子进程的匿名管道通信样例：

// 父子通过匿名管道通信demo
// 只要能把文件描述符继承下去，就能够实现匿名管道通信
// 也就是可以进行兄弟、爷孙进程的管道通信
// 没有任何继承体系的进程之间无法使用匿名管道
void test2()
{
    int pipefd[2] ={0};
    // 将fd传入pipe接收返回值
    int n = pipe(pipefd);

    // 父子进程关闭各自不使用的fd
    // 实现单向通信的管道
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("error fork");
    }
    else if(id == 0)
    {
        // child
    
        // 关闭读的指向
        close(pipefd[0]);

        int count = 3;
        cout << "writing data into the buffer" << endl;
        while(count--)
        {
            char mesg[BUFFSIZE];
            cin >> mesg;
            // 通过系统接口 将写入的数据通过 写 的文件接口进入文件缓冲区中
            write(pipefd[1], mesg, strlen(mesg));
        }
        exit(0);
    }
    // father
        
    // 关闭写的指向
    
    close(pipefd[1]);
    char buffer[BUFFSIZE];
    while(true)
    {
        // 通过读接口把文件缓冲区的内容写入buffer中
        // 读取buffer大小减1预留 \0 字符
        ssize_t n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            cout << "child wrote: " << buffer << " to father process " <<endl;
        }
    }

}

在这段代码demo中我们只实现了由子进程向缓冲区进行写功能，父进程向缓冲区进行读功能，那么我们能不能够实现双向通信呢？

答案是可以的，但是我们又要保证一个管道的流向是单向的，注意这里我们用的是“一个”，所以我们可以通过pipe函数再次创建一个管道文件，然后把子进程的写端关闭，父进程的读端关闭，再进行链接。即通过这个demo，加上逻辑相反的代码就可以实现了

2.3.命名管道

我们在匿名管道的学习中，了解到它的可行性是通过具有血缘关系的进程会拷贝同一个file_struct结构体的指针，来实现读写文件指向同一块区域的。但是对于不具有血缘关系，也就是完全不相干的两个进程我们该如何通信呢？

这时我们可以通过命名管道，创建FIFO文件来实现在不相关的进程之间进行通信……

// 创建命名管道fifo
int n = mkfifo(文件名, 文件权限);

// 文件返回值
int r_open = open(文件名, 文件打开方式);

一般来说我们使用命名管道，首先先创建命名管道，然后两个不同的进程再通过系统调用接口通过不同的打开方式（读/写）来打开这个管道文件。

下面我们用两个进程的交互来演示一下：

进程一：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#define FILENAME "fifo"
using namespace std;

int main()
{
    // 创建命名管道fifo
    int n = mkfifo(FILENAME, 0666);

    // 文件返回值
    int r_open = open(FILENAME, O_RDONLY);

    char buffer[1024];
    while (1)
    {

        ssize_t r_read = read(r_open, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (r_read > 0)
        {
            buffer[r_read] = 0;
            cout << "recieve the message from client: " << buffer << endl;
        }
    }

    close(r_open);
}

在这段代码中：

我们先创建了命名管道，接着通过只读方式打开文件
在死循环中，我们不断的读取打开文件返回的文件fd的内容，当r_read = 0时表示读端关闭，r_read > 0 时正常读取
读取后加载进我们设定好的buffer中，然后再打印出来

进程二：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#define FILENAME "fifo"
using namespace std;


int main()
{
    int r_open = open(FILENAME, O_WRONLY);
    string message;
    while (1)
    {
        cout << "client send: ";
        getline(cin, message);
        ssize_t r_write = write(r_open, message.c_str(), message.size());
    }

    close(r_open);
}

这段代码中：

我们在上一个进程中调用创建好的管道文件，获得相同的文件fd，这里因为我们默认创建两个进程都在当前目录下，这里的本质就是最终找到fifo这个文件
我们往fifo形成的缓冲区中写入数据，当我们完成写入时，对应的上一个进程就会打印相同的内容

XShell中的现象：

这样我们就实现了两个互不相干的进程间的通信了……

2.4.基于匿名管道的进程池demo

2.4.1.进程池的相关引入

进程池是一种常见的多进程编程技术，用于优化资源使用和提高性能。它可以在程序启动时预先创建一定数量的进程，并将这些进程保存在池中以备后续使用。当有任务需要处理时，程序会从进程池中取出一个空闲的进程来处理任务，任务处理完毕后，该进程会被放回进程池中，等待下一个任务的到来。

如图我们通过父进程，创建五个子进程，在子进程创建的同时我们创建管道文件，进行父进程和子进程通过匿名管道的通信

当我们抽象出这一个模型图后，我们开始着手开辟5个管道和实现这个进程池……

// 创建5个子进程和实现5个管道
for (int i = 0; i < pipe_num; i++)
{
    // 1.定义并创建管道
    int pipefd[2];
    int n = pipe(pipefd);
    cout << "成功创建管道：" << i << endl;

    assert(n == 0);

    // 2.创建进程
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);

    // 3.构建单向信道
    if (id == 0)
    {

        // child
        // 子进程关闭当前的 写 端
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    // father
    close(pipefd[0]);
}

这段代码，我们循环5次，创建管道，并链接父子进程，但是这一段代码实际上在进行循环时会出现bug，具体如图：

按照这个思路：最终我们发现在创造了5个子进程之后，最后一个子进程对应的file_struct会继承4个父进程的写端！！！这个bug虽然不影响我们的通信，但是会影响我们后续对写端的回收，终止这个进程池，这在我们后面的代码模块有具体讲解！！！

2.4.2.整体框架的分析

在上面部分内容，我们完成了进程池的创建，接下来就是代码对进程池逻辑的实现了，首先进程池通过父进程来管理5个子进程，当获取到任务时，首先通过父进程接收然后分配给子进程。接着子进程各自处理自己分配到的任务，任务完成后继续接收新的任务。

结合我们通过匿名管道来实现，我们初步设计成父进程作为写端通过匿名管道传输任务给子进程，然后子进程通过读端读取任务来进行任务的调用。那么我们就将整个框架设计为：

进程的创建 --- >管道的搭建--->管道间进程通信的管理--->任务内容的创建--->任务的发布--->子进程进行任务的处理--->资源释放

2.4.3.代码的实现

这一部分主要是代码的实现，因为篇幅过长并且代码中注释较为详细，我们通过2.4.2.这个篇章在结合代码内容就能大概理解这个demo

work.h

#pragma once
#include<iostream>
#include<functional>
#include<vector>
#include<ctime>

using namespace std;

// using task_t function<void()>;
typedef function<void()> task_t;

void Download()
{
    cout << "执行下载任务" << " 通过子进程: "<< getpid() <<endl;
}

void PrintLog()
{
    cout << "执行打印日志任务" << " 通过子进程: "<< getpid()<< endl;
}

void PushStream()
{
    cout << "执行传输数据流任务" << " 通过子进程: "<< getpid()<< endl;
}

class Init
{
public:
    Init()
    {
        tasks.push_back(Download);
        tasks.push_back(PushStream);
        tasks.push_back(PrintLog);

        srand(time(nullptr) ^ getpid());
    }
    // 判断任务的可行性
    bool CheckSafe(int code)
    {
        if(code >= 0 && code < tasks.size()) return true;
        else return false;
    }
    void RunTask(int code)
    {
        // tasks数组中存放着可调用对象，通过()调用
        return tasks[code]();
    }
    int SelectTask()
    {
        return rand() % tasks.size();
    }

private:

    // 任务列表
    vector<task_t> tasks;
    // 任务码 （在代码中并没有用上）
    const int download_code = 0;
    const int print_code = 1;
    const int push_stream_code = 2;
};
// 定义全局对象
Init init;

main.cc：

#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <vector>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include "work.hpp"

using namespace std;
#define BUFFSIZE 1024
// a

const int pipe_num = 5;
// 判断是第几个管道
static int name_flag = 1;
class channel
{
public:
    channel(int fd, pid_t id)
        : _ctrlfd(fd), _workid(id)
    {
        _name = "channel-" + to_string(name_flag);
        name_flag++;
    }
    int GetFd() const
    {
        return _ctrlfd;
    }
    pid_t GetId() const
    {
        return _workid;
    }
    string GetName() const
    {
        return _name;
    }

private:
    int _ctrlfd;
    pid_t _workid;
    string _name;
};

void ChildWork()
{
    while (1)
    {
        int code = 0;
        // 子进程只读，当父进程没有写入指令时，子进程无法工作
        // 父进程写4个字节的数据 子进程读取4个字节
        ssize_t n = read(0, &code, sizeof(code));
        // 对应任务码

        if (n == sizeof(code))
        {
            // n值正常
            if (!init.CheckSafe(code))
                continue;
            init.RunTask(code);
        }
        else if (n == 0)
        {
            break;
        }
    }

    cout << "子进程已退出" << endl;
}

void CreatChannels(vector<channel> &channels)
{
    vector<int> fd_write;
    for (int i = 0; i < pipe_num; i++)
    {
        // 1.定义并创建管道
        int pipefd[2];
        int n = pipe(pipefd);
        cout << "成功创建管道：" << i << endl;

        assert(n == 0);

        // 2.创建进程
        pid_t id = fork();
        assert(id != -1);

        // 3.构建单向信道
        if (id == 0)
        {
            // 对于子进程来说 只要出现拷贝了父进程的写
            // 就需要进行关闭，才能实现单向传输的管道
            if (!fd_write.empty())
            {
                for (size_t j = 0; j < fd_write.size(); j++)
                {
                    // 关闭我们插入数组内容
                    close(fd_write[j]);
                    cout << "process: " << getpid() << " close: " << fd_write[j] << endl;
                }
            }

            // child
            // 子进程关闭当前的 写 端
            close(pipefd[1]);
            // 重定向到标准输入
            dup2(pipefd[0], 0);
            ChildWork();
            exit(0);
        }

        // father
        close(pipefd[0]);

        // 存储写对应的下标相对值
        fd_write.push_back(pipefd[1]);

        // 传入这个 写 对应的下标文件给channel
        channels.push_back(channel(pipefd[1], id));
        // 测试父进程的写文件
        // cout<< pipefd[1] <<endl;
    }
    cout << "管道已全部创建，开始执行任务" << endl;
}
void SendCommand(const vector<channel> &channels, int flag = -1)
{

    int position = 0;
    while (1)
    {
        if (flag == 0)
        {
            break;
        }
        sleep(1);

        // 开始选择任务
        // 本质上就是获取任务码
        int command = init.SelectTask();

        // 分配进程
        channel c = channels[position++];
        position %= channels.size();

        cout << "send command: " << command << " in " << c.GetName() << " by father:" << getpid() << endl;
        // 发送任务
        write(c.GetFd(), &command, sizeof(command));

        flag--;
    }
    cout << "任务已完成" << endl;
}
void ReleaseChannel(const vector<channel> &channels)
{
    for (const auto &e : channels)
    {
        // 关掉 父进程开辟的写端，注意这里的子进程
        close(e.GetFd());
        pid_t rid = waitpid(e.GetId(), nullptr, 0);
    }
}

int main()
{

    vector<channel> channels;
    // 创建管道
    CreatChannels(channels);
    // 发送任务并执行
    SendCommand(channels, 5);
    // 解决子进程回收问题
    ReleaseChannel(channels);
}