Linux 进程间通信之匿名管道

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前言

一. 进程间通信介绍

1.进程间通信目的

2.进程间通信发展

3.进程间通信分类

二.管道

用fork来共享管道原理

匿名管道

进程池

前言

从进程控制篇章，我们知道了进程是具有独立性，既然各进程具有独立性，它们之间是互不联系的，那它们是怎么通过一种方式取得联系？为什么要有进程间通信？进程间通信本质是什么？

一. 进程间通信介绍

1.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。

2.进程间通信发展

管道
System V进程间通信
POSIX进程间通信

3.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

二.管道

管道是Linux原生能提供的，管道有两种，匿名和命名。

进程间通信的前提，是需要让不同的进程看到同一块“内存”（特定的组织结构）

所以你所谓的进程看到同一块“内存” 其实是不隶属于任何一个进程，应该更强调共享。

那如何让两个进程看到同一块“内存”？

用fork来共享管道原理

在实现之前我们需要了解一个接口函数 pipe

创建管道需要使用pipe函数。pipe函数会返回两个文件描述符，分别代表着管道的两端。这两个文件描述符可以用于在父进程和子进程之间传输数据。

pipefd[0]：读下标

pipefd[1]: 写下标

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

void Write(int fd)
{
    std::string str = "hello, I am child process";
    pid_t pid = getpid();
    int number = 0;
    char buf[1024];
    while (1)
    {
        sleep(1);
        buf[0] = '\0';
        snprintf(buf, sizeof(buf), "%s-%d- %d\n", str.c_str(), number++, pid);
        write(fd, buf, strlen(buf));
        // std::cout <<number << std::endl;
        // if(number > 5)
        // break;
    }
}

void Read(int fd)
{
    char buf[1024];
    int cnt = 0;
    while (1)
    {

        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        size_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
        if (n > 0)
        {
            std::cout << "father get a message:[" << getpid() << "]#" << buf << std::endl;
        }
        else if (n == 0)
        {
            printf("father read file done\n");
            break;
        }
        else
        {
            std::cout << "father read error" << std::endl;
            break;
        }
        cnt++;
        if (cnt > 5)
            break;
    }
}

int main()
{
    int pipefd[N];
    int n = pipe(pipefd);
    if (n < 0)
    {
        std::cout << "pipe error" << std::endl;
        return 1;
    }
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        std::cout << "fork error" << std::endl;
    }
    else if (pid == 0)
    {
        // child process
        close(pipefd[0]);
        Write(pipefd[1]);
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }
    else
    {
        // parent process
        Read(pipefd[0]);
        close(pipefd[0]);
        // wait child process
        std::cout << "father close read fd: " << pipefd[0] << std::endl;
        sleep(5); // wait child process exit
        pid_t status = 0;
        pid_t child_pid = waitpid(pid, &status, 0);
        if (child_pid < 0)
        {
            std::cout << "waitpid error" << std::endl;
            return 2;
        }
        std::cout << "wait child success: " << child_pid << " exit code: " << ((status >> 8) & 0xFF)
                  << " exit signal: " << (status & 0x7F) << std::endl;
    }

    sleep(3); // wait father process exit
    return 0;
}

运行代码

管道的特征：

1.具有血缘关系的进程才能进行进程间通信

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——保护管道内数据。

4.管道是面向字节流的 ps:这个我们后面网络在讲

5.管道是基于文件的，而文件的生命周期是随进程的。

下面我们就来挖一挖细节，基于第3点特征衍生出来的管道内的4种情况

读端正常，管道内容为空，读端就要堵塞

读端正常，管道内容写满，读端就要堵塞

读端正常，写段关闭，读端就会读到0，表明读到了文件的结尾，不会阻塞

写段正常写入，读端关闭，OS就会杀掉正在写入的进程。

子进程写代码是有sleep1秒的而父进程是没有sleep1秒，从视频我们可以得出父进程在等待子进程写入到管道中，上一次数据被读到，说明管道的内容空了，而子进程休眠1秒钟这期间对应父进程阻塞1秒钟。

第二种情况我们让写段写快一点，读段慢一点休眠5秒钟写段不休眠

读端正常，管道内容写满，读端就要堵塞

第三种情况我们写代码的number等于5时直接break;

读端正常，写段关闭，读端就会读到0，表明读到了文件的结尾，不会阻塞

第四情况我们让读端变量cnt == 5时，读端退出。

从第4个结论来说确实OS会杀掉进程，资源有限，都没有人读了，写入后还要写时拷贝，浪费资源。

匿名管道

从上面我们看到3个sleep的父进程是bash 那这样我们可以知道它们是有血缘关系的，

我们在shell打命令行，执行后，然后shell解释我们的命令看到两个|直接创建两个管道,然后再程序替换然后3个sleep根据重定向原理重定向到管道中。

所以我们以前在命令行执行的管道 | 就是传说之中的匿名管道！！！

进程池

根据前面程序控制，和本节的管道知识，我们可以用fork创建多个子进程，父进程写入，子进程读取，根据读取的内容，子进程完成一些相应的事情。这些子进程就好比池子里的水，我们要用的时候直接就可以拿来用。

代码实现

#include "task.hpp"
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cstdlib>

#define ProcessNum 5 // 进程个数

// 先描述
class channle
{
public:
    channle(int cmdfd, int slaverid, const std::string &processname)
        : _cmdfd(cmdfd), _slaverid(slaverid), _processname(processname)
    {
    }

public:
    int _cmdfd;               // 发送任务的文件描述符
    pid_t _slaverid;          // 子进程的PID
    std::string _processname; // 子进程的名字
};

对于一个进程池来说，进程多了，我们肯定是要管理起来的，所以定义一个对象方面我们管理，对象定义出来了后，我们就要创建管道和子进程。

void InitProcessPool(std::vector<channel> *channels)
{
    std::vector<int> oldfds;
    for (int i = 0; i < ProcessNum; i++)
    {
        // 创建管道
        int pipefd[2];
        int n = pipe(pipefd);
        if (n < 0)
        {
            perror("pipe");
            exit(1);
        }
        // 创建子进程
        pid_t id = fork();
        if (id < 0)
        {
            perror("fork");
            exit(2);
        }
        else if (id == 0)
        { // 子进程
            for (auto fd : oldfds) //关闭之前继承下来的写端
            {
                close(fd);
            }
            close(pipefd[1]);   // 子进程读，关闭写端。
            dup2(pipefd[0], 0); // 管道的读端替换成标准输入0
            close(pipefd[0]);
            slaver();
            exit(0);
        }
        else
        {
            // 父进程
            close(pipefd[0]); // 父进程写，关闭读端。
            // 添加channle字段
            std::string name = "process-" + std::to_string(i);
            channels->push_back(channel(pipefd[1], id, name)); // 利用零时对象初始化
            oldfds.push_back(pipefd[1]);                       // 子进程会继承父进程的写端 方便我们在fork之后关闭写端
        }
    }
}

我们再写个Debug测试一下。

void Debug(const std::vector<channel> &channels)
{
    for (auto &it : channels)
    {
        std::cout << it._cmdfd << ' ' << it._slaverid << ' ' << it._processname << std::endl;
    }
}

int main()
{
   
    std::vector<channel> channels;

    InitProcessPool(channels);
    
    Debug(channels);
    return 0;
}

5个子进程创建完毕。那么下一步就是通过cmdfd这个文件描述符父进程写入，子进程读取

我们可以用dup2，我们从键盘读入输入的内容，从管道读取。这样做的好处就是slaver这个函数不用传参

 else if (id == 0)
        {                     // 子进程
            close(pipefd[1]); // 子进程读，关闭写端。
            dup2(pipefd[0],0) //管道的读端替换成标准输入0
            slaver();
            exit(0);
        }

slaver这个函数就是获取任务的函数，怎么获取系统调用read获取，我们通过dup2原本是从标准输入读取，现在从管道里读取。然后执行相应的任务

void slaver()
{
    int cmdcode = 0;
    while (true)
    {
        int n = read(0, &cmdcode, sizeof(int));
        if (n == sizeof(int))
        {
            std::cout << "slaver say@ get a cmdcode: " << getpid() << " : cmdcode:" << cmdcode << std::endl;
            if (cmdcode > = 0 && cmdcode < task.size())
                task.[cmdcode]();
        }
        if (n == 0)
            break;
    }
}

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

typedef void (*task_t)();

void task1()
{
    std::cout << "lol 刷新日志" << std::endl;
}
void task2()
{
    std::cout << "lol 更新野区，刷新出来野怪" << std::endl;
}
void task3()
{
    std::cout << "lol 检测软件是否更新,如果需要，就提示用户" << std::endl;
}
void task4()
{
    std::cout << "lol 用户释放技能，更新用户的血量和蓝量" << std::endl;
}

void LoadTask(std::vector<task_t> *tasks)
{
    tasks->push_back(task1);
    tasks->push_back(task2);
    tasks->push_back(task3);
    tasks->push_back(task4);
}

现在还有没有任务，我们可以写一个简单的函数把函数的指针放进vector这个容器中然后根据cmdcode下标访问进行函数调用。

有了任务列表我们就要派发任务，这里博主选择随机派发任务，当然你下去实现的时候可以选择轮循方式派发任务。

void ctrlSlaver(const std::vector<channel> &channels)
{
    while (true)
    {
        std::cout << "Please Enter@ ";
        // 1. 选择任务
        int cmdcode = rand() % tasks.size();
        // 2. 选择进程
        int processpos = rand() % channels.size();

        std::cout << "father say: "
                  << " cmdcode: " << cmdcode << " already sendto " << channels[processpos]._slaverid << " process name: "
                  << channels[processpos]._processname << std::endl;
        // 3. 发送任务
        write(channels[processpos]._cmdfd, &cmdcode, sizeof(cmdcode));
        // sleep(1);
    }
}

最后我们还再利用wiatpid这个函数回收子进程

void QuitProcess(const std::vector<channel> &channels)
{
    for (const auto &c : channels)
    {
        close(c._cmdfd);
        waitpid(c._slaverid, nullptr, 0);
    }
}