进程间通信基本知识

进程间通信的定义

进程间通信方式分类

匿名管道（pipe）

匿名管道介绍

• 创建方式：使用 pipe 系统调用创建，返回一对文件描述符（读端和写端）。
• 生命周期：匿名管道的生命周期与创建它的进程有关。当进程结束时，匿名管道会被销毁。
• 作用域：通常用于有亲缘关系的进程（如父子进程）之间的通信。

匿名管道常见用法：

1. 创建管道：pipe(pipefd)，pipefd是我们自定义的一个数组，将数组传递给pipe函数是为了存储pipe创建匿名管道时提供的两个文件描述符，我们的pipefd 数组中的 pipefd[0] 是读端文件描述符，pipefd[1] 是写端文件描述符。
2. 写入数据：write(pipefd[1], data, size)，将数据写入管道。
3. 读取数据：read(pipefd[0], buffer, size)，从管道读取数据。
4. 关闭管道：使用 close(pipefd[0]) 和 close(pipefd[1]) 关闭读端和写端，释放资源。

创建匿名管道看起来似乎用到的是管道文件来进行通讯，但实际上并不是的，这里和管道文件时没有什么关联的，管道文件是真实存在于文件系统中的一种类型文件，我们可以用ls，rm这些命令对其进行操作。

匿名管道通过操作系统内核维护一个内存缓冲区和一对文件描述符（分别对应于管道的读端和写端）来实现进程之间的通信。当你创建一个匿名管道时，操作系统内核会分配和管理这个内存缓冲区，以支持数据的传输。数据从写端写入缓冲区，另一个进程从读端读取数据。虽然这里的缓冲区不是文件，但是我们可以将匿名管道视作一个文件来对其进行操作，使用read，write，和两个文件描述符来对文件进行读写。

匿名管道的特点

亲缘关系：通常用于有亲缘关系的进程（如父子进程）之间的通信。管道的读端和写端在父进程和子进程之间共享文件描述符。

为什么使用匿名管道通信的进程必须是亲缘关系？？？请看下面图文解释：

• 当一个进程通过 pipe() 系统调用创建匿名管道时，内核会返回两个文件描述符（一个用于读，一个用于写，对应匿名管道的读端和写端）。这些文件描述符是进程在内核中访问管道的唯一标识。
• 继承机制：在UNIX和Linux系统中，当一个进程通过 fork() 创建子进程时，子进程会继承父进程的所有文件描述符。这意味着子进程可以使用与父进程相同的文件描述符来访问管道，从而实现进程间的通信。
• 无文件系统接口：匿名管道不会在文件系统中创建实际文件，所以只能依靠文件描述符来访问。如果进程之间没有亲缘关系（如没有使用 fork()），则它们无法直接共享这些文件描述符。

 一对一通信：每个匿名管道只能实现两个进程之间的单向通信。

        匿名管道的设计本质上是一种“点对点”通信方式，即两个进程之间直接传输数据。虽然可以让多个进程共享匿名管道的文件描述符，但这会导致数据读取的竞争或写入的混乱，所以并不推荐这样使用。

         单向通信：匿名管道是半双工的，这意味着数据只能在一个方向流动。你需要两个匿名管道来实现双向通信，其中一个用于从进程A到进程B的数据流，另一个用于从进程B到进程A的数据流。

        匿名管道确实是半双工的，这意味着在给定时间内，数据只能在一个方向上流动。然而，半双工并不禁止你在不同的时间段内切换通信方向——你可以在一个时间段内让进程A写、进程B读，之后再让进程B写、进程A读。

        尽管切换通信方式在理论上可行，但在实际开发中，由于其复杂性和潜在的同步问题，通常不会这样操作。更直观、简单的方法是使用两个管道或选择其他更合适的IPC机制。

匿名管道的使用

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>

int main(void)
{
    // 创建匿名管道
    int fd[2];//保存匿名管道的两个文件描述符
    pipe(fd);
    pid_t pid=fork();

    // 子进程
    if(pid == 0)
    {
        // 向父进程打招呼
        char *msg = "hello parent!";
        //sleep(2);
        write(fd[1], msg, strlen(msg));

        exit(0);
    }

    // 父进程
    if(pid > 0)
    {
        char buf[50];
        bzero(buf, 50);

        // 静静地等待子进程的消息
        read(fd[0], buf, 50);

        printf("来自子进程: %s\n", buf);
        exit(0);
    }
}

看到这个代码和结果你可能觉得是偶然，确实，由于父进程和子进程并发执行，前提是子进程先从匿名管道写端写入数据，父进程才能正确读到并打印子进程传输的消息。

所以这里不妨让子进程在写之前sleep(2);结果你会发现父进程仍然成功收到并且打印出了子进程传递信息，只不过是延迟了两秒，证明父进程被阻塞等待子进程传递信息过来，接下来让我们详细说一下匿名管道的读写规则。

匿名管道的读写规则

操作受到阻塞的情况（2）

读写端正常，若管道如果为空，读端就要阻塞；
读写端正常，若管道如果被写满，写端被阻塞；

操作正常执行的情况（4）

读写端正常，读的时候，管道中有数据；
读写端正常，写的时候，管道中未被写满；
读端正常，无写端，读的时候，管道中有数据；
读端正常，无写端，读的时候，管道中无数据，这个read操作返回0，说明管道缓冲区数据读完了，也算read正常执行；

操作不正常的情况（2）

只要没有读端，任何试图写入管道的操作都会触发 SIGPIPE 信号，而不论管道的缓冲区是否已满。

匿名管道无用的文件描述符及时关闭

一般而言，不需要用到的文件描述符都最好及时关闭，避免不必要的副作用或浪费系统资源。例如上述程序中，子进程只用到了管道的写端，因此它的fd[0]可以也应该要关闭，相反父进程只用到了管道的读端，因此它的fd[1]可以也应该关闭。代码可以改成：

int main(void)
{
    // 创建匿名管道
    int fd[2];
    pipe(fd);

    // 子进程
    if(fork() == 0)
    {
        // 关掉不必要的读端
        close(fd[0]);

        ...
    }

    // 父进程
    else
    {
        // 关掉不必要的写端
        close(fd[1]);

        ...
    }
}

如果我们需要实现双向通信，则最好使用两个管道，然后将里面不必要的文件描述符都及时关闭。 

命名管道（fifo）