Linux 进程间通信

Linux 进程间通信_匿名管道

news2024/10/28 12:25:49

1.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.匿名管道

1.原理

上图表示进程打开了一个文件，每一个进程都有一个文件描述符表struct files_struct，

根据文件的路径在磁盘中找到文件的属性和内容，建立文件内核缓冲区和文件描述符struct file 里面有指向inode(文件属性)和文件内核缓冲区的指针。然后把文件描述符指针按由小到大的顺序填入文件描述符表的fd_arry[]数组中，最后返回下标。

那如果以该进程为父进程创建子进程会是什么样的？

fork()创建一个子进程，肯定会把task_struct struct files_struct这些进程部分复制下来，

struct file不属于进程的一部分，但父子进程需要独立读写文件，也就意味着struct file里面的pos不同（pos 通常指的是文件的当前偏移量，即下一个读写操作将从文件的哪个位置开始。），需要子进程复制一份。inode对文件的管理一份就够了，文件内核缓冲区是系统提供的，系统服务每个进程。

那父子进程如何完成通信呢？

父子进程在同一个文件的文件内核缓冲区进行操作，那文件内核缓冲区的内容要不要刷新到磁盘呢？这个文件的作用就是为了让进程间相互通信，没必要保存到磁盘。

有没有一种特殊的文件只用于进程间的通信呢？

管道

父进程读写打开管道，fork()创建子进程。父进程关闭读端，子进程关闭写端。父进程向管道写入数据，子进程可以随时从管道读取数据，而不会干扰彼此的读写操作。形成单向通信.

可以不关读端吗？

建议关，因为管道的设计就是为了单向通信，父进程没必要去进行读操作，不关浪费数组资源，文件描述符泄漏。还有可能会进行误操作。

补充：关于重定向 >

./cout.c > test 表示把cout.c文件输出的内容重定向到test文件中。但比不上所有的打印信息都会重定向到test文件中，错误流的信息并不会重定向到test，而是打印到显示器上。

我们知道文件描述符 0输入流 1输出流 2错误流，

./cout.c > test 完整的表示是 ./cout.c 1>test

如果想把错误流也重定向到test文件中

./cout.c &> test 这里的&表示将标准错误与标准输出一起处理。

或者

./cout.c 1>test 2>&1

>&表示将文件描述符的目标重定向。

2>&1 的意思是将标准错误重定向到标准输出所指向的位置，也就是test文件

2.pipe()系统调用

pipe()系统调用创建一个管道。
#include <unistd.h>

int pipe(int fd[2]);
参数：int fd[2]是一个输出行参数，返回文件描述符，fd[0]以读方式打开管道（读端）

fd[1]以写方式打开管道（写端）

返回值：成功返回0 失败返回-1 error

#include <iostream>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
    // 1.创建管道
    int fd[2] = {0};
    int n = pipe(fd);
    if (n == -1)
    {
        std::cerr << "pipe error" << std::endl;
        return -1;
    }
    // 2.创建子进程
    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
    {
        std::cerr << "fork error" << std::endl;
        return -2;
    }
    if (id == 0)
    {
        int count = 0;
        // 子进程 关闭读端
        close(fd[0]);
        while (1)
        {
            close(fd[0]);
            std::string message = "hello ";
            message += std::to_string(getpid());
            message += ",";
            message += std::to_string(count++);
            // 写入管道
            int n = write(fd[1], message.c_str(), message.size());
            sleep(2);
        }
        exit(0);
    }
    else
    {
        char buff[1024];
        // 父进程 关闭写端
        close(fd[1]);
        // 从管道中读
        while (1)
        {
            int n = read(fd[0], buff, 1024);
            if (n > 0)
            {
                // 读到数据
                buff[n] = '\0'; // 系统字符串没有规定以0结尾
                std::cout << "子进程->父进程 message:" << buff << std::endl;
            }
            else if (n == 0)
            {
                // 写端关闭 读到结尾
                break;
            }
        }
        int status;
        pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
        if (rid == -1)
        {
            std::cerr << "waitpid error" << std::endl;
            return -3;
        }
        //int 16字节 前7位退出信号 后8位退出码
        std::cout<<"子进程pid"<<rid<<"退出码"<<((status<<8)&0xFF)
        <<"退出信号"<<(status&0x7F);
    }
    return 0;
}

上面是子进程写入，父进程读入并输出。

root@hcss-ecs-178e:~/dir1# ./pipe
子进程->父进程 message:hello 8128,0
子进程->父进程 message:hello 8128,1
子进程->父进程 message:hello 8128,2
子进程->父进程 message:hello 8128,3
子进程->父进程 message:hello 8128,4
子进程->父进程 message:hello 8128,5
子进程->父进程 message:hello 8128,6
root@hcss-ecs-178e:~# ps axj|head -1;ps axj|grep pipe
   PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
   7039    8127    8127    7039 pts/2       8127 S+       0   0:00 ./pipe
   8127    8128    8127    7039 pts/2       8127 S+       0   0:00 ./pipe
   7918    8132    8131    7918 pts/3       8131 S+       0   0:00 grep --color=auto pipe

子进程不断向管道内写入，父进程读入并输出。

3.匿名管道的四种情况

1.管道为空&&管道正常 read会阻塞

子进程写入的速度小于父进程读入的速度，read会阻塞。

2.管道为满&&管道正常 wirte会阻塞

父进程读入速度小于子进程写入的速度，wirte会阻塞。

子进程每次写入一个字符，re表示写入多少字符。

让父进程读入一次就停止，子进程不停写直到写满管道 wirte阻塞。

65536/1024=64KB 可见管道一次性最大存入64KB数据，父进程读入，子进程才能进行写入。也就意味着父进程读过后的内容在管道内不会保存。

3.管道写端关闭，读端继续。读端读到0，表示读到文件结尾。

子进程只写入一次

父进程读到0，buff为空，意味着管道为空，读到结尾。退出返回退出码退出信号

4.写端正常，读端关闭。OS会直接杀死进程

子进程写入管道就是为了让父进程读，如果读端关闭，意味着管道就没有存在的意义，会被系统杀死。

父进程读一次就关闭读端

可以看到退出信号为13，它表示一个进程试图向一个已关闭的管道或套接字写入数据。这种情况下，操作系统会终止该进程，通常会导致进程接收到该信号。

管道的特性

单向通信：管道通常是单向的，数据从一个进程流向另一个进程。可以使用两个管道实现双向通信。

缓冲区：管道有一个内置的缓冲区，可以暂时存储数据。写入操作不会立即导致读取操作，因此可以在某些情况下实现异步通信。同步互斥

匿名性：在 Unix 和类 Unix 系统中，匿名管道不具名，不需要在文件系统中创建实体。它们只存在于相关联的进程之间。

阻塞行为：默认情况下，管道的读写操作是阻塞的。写入端在缓冲区满时会阻塞，读取端在管道为空时会阻塞。这可以帮助协调两个进程的执行。

进程关系：通常，管道用于父进程与子进程之间的通信。子进程可以继承父进程创建的管道描述符。

资源释放：当管道的最后一个读取端被关闭时，所有写入该管道的进程都会收到 SIGPIPE 信号，这可能导致它们终止。生命周期随进程

大小限制：管道的缓冲区大小通常受到操作系统的限制，不同系统的大小可能不同。