早期进程间的通信

news2024/11/26 10:36:58

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IO进程（day06）

无名管道

有名管道

信号

IO进程（day06）

无名管道

  1. 原理图

  1. 无名管道的特点

  1. 只能用于有亲缘关系之间的进程
  2. 无名管道可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写可以使用文件IO如read、write函数.
  3. 无名管道是基于文件描述符的通信方式。当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符fd[0]和fd[1]。其中fd[0]固定用于读管道，而fd[1]固定用于写管道。
  4. 半双工的通信模式，具有固定的读端和写端

单工：只能单方向传递信息（收音机，广播，电视）

半双工：同一时刻只能接收或者发送（对讲机）

全双工：既可以接收消息也可以发送消息（电话，短信）

  1. 读端关闭的话，会导致管道破裂。
  1. 函数接口
int pipe(int fd[2])
功能：创建无名管道
参数：文件描述符 fd[0]：读端  fd[1]:写端
返回值：成功 0
      失败 -1

示例代码：

注意事项

  1. 当管道中没有数据时，读操作会阻塞；管道中没有数据，将写端关闭，读操作立即返回。
  2. 管道中装满（管道的大小：64k），数据写阻塞，一旦有4k空间，写继续，直到写满。

练习：父子进程间实现通信，父进程循环从终端输入，子进程循环打印，输入quit退出

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char buf[32];
    int fd[2];
    // 创建无名管道
    if (pipe(fd) < 0)
    {
        perror("pipe err\n");
        return -1;
    }
    printf("pipe create successed\n");
    // 创建子进程
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        perror("fork err\n");
        return -1;
    }
    if (pid == 0)
    {
        // 关闭写端
        close(fd[1]);
        // 循环读取数据
        while (1)
        {
            read(fd[0], buf, 32);
            if (!strcmp(buf, "quit"))
            {
                break;
            }
            printf("buf:%s\n", buf);
            memset(buf, 0, 32);
        }
        // 关闭读端
        close(fd[0]);
    }
    else
    {
        // 关闭读端，防止在写入数据的时候读取数据，造成数据不准确
        close(fd[0]);
        // 循环写入
        while (1)
        {
            fgets(buf, 32, stdin);
            if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n')
            {
                buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
            }
            write(fd[1], buf, strlen(buf));
            // quit退出
            if (!strcmp(buf, "quit"))
            {
                break;
            }
        }
        // 关闭写端
        close(fd[1]);
        // 阻塞等待子进程结束，回收资源
        wait(NULL);
    }
    return 0;
}

有名管道

  1. 特点
  1. 有名管道可以使互不相关的两个进程互相通信。
  2. 有名管道可以通过路径名来指出，并且在文件系统中可见，但内容存放在内存中。
  3. 进程通过文件IO来操作有名管道
  4. 有名管道遵循先进先出规则，不支持如lseek() 操作
  1. 函数接口
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
注意：umask会影响文件的权限。
功能：创建有名管道
参数：filename：有名管道文件名
       mode：权限
返回值：成功：0
       失败：-1，并设置errno号

用法：创建有名管道
if(mkfifo("./fifo",0666) < 0)
{
    perror("mkfifo err");
    return -1;
}
  1. 注意事项
  1. 可读可写，管道中如果没有数据会读阻塞。
  2. 只写方式，写阻塞（open阻塞），一直到另一个进程把读打开。
  3. 只读方式，读阻塞（open阻塞），一直到另一个进程把写打开。

练习：通过两个进程实现cp功能

cp1.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 创建有名管道
    if (mkfifo("./fifo", 0666) < 0)
    {
        if (errno != 17)
        {
            perror("mkfifo err");
            return -1;
        }
    }
    printf("mkfifo ok\n");
    // 打开源文件
    int fd_src = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fd_src < 0)
    {
        perror("open src err");
        return -1;
    }
    // 打开管道文件
    int fd_fifo = open("./fifo", O_WRONLY);
    if (fd_fifo < 0)
    {
        perror("open fifo err");
        return -1;
    }
    // 循环写入
    ssize_t s;
    char buf[32];
    // 将源文件的内容读到数组中
    while (s = read(fd_src,buf,32))
    {
        // 将数组中的内容写入管道文件
        write(fd_fifo,buf,s);
    }
    printf("copy finished\n");
    close(fd_src);
    close(fd_fifo);
    // 关闭文件描述符。
    return 0;
}

cp2.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 创建有名管道
    if (mkfifo("./fifo", 0666) < 0)
    {
        if (errno != 17)
        {
            perror("mkfifo err");
            return -1;
        }
    }
    printf("mkfifo ok\n");
    // 打开源文件
    int fd_dest = open(argv[1], O_WRONLY | O_TRUNC | O_CREAT,0666);
    if (fd_dest < 0)
    {
        perror("open dest err");
        return -1;
    }
    // 打开管道文件
    int fd_fifo = open("./fifo", O_RDONLY);
    if (fd_fifo < 0)
    {
        perror("open fifo err");
        return -1;
    }
    // 循环写入
    ssize_t s;
    char buf[32];
    while (s = read(fd_fifo,buf,32))
    {
        // 将数组中的内容写入管道文件
        write(fd_dest,buf,s);
    }
    close(fd_dest);
    close(fd_fifo);
    // 关闭文件描述符。
    return 0;
}
  1. 有名管道和无名管道的区别

无名管道

有名管道

使用场景

具有亲缘关系的进程间

不相关的两个进程可以使用

特点

一种特殊的文件，通过文件IO进行读写，有固定的读fd[0],和写fd[1],不支持lseek，遵循先进先出

在文件系统中会存在，数据存放在内核空间，通过文件IO进行读写，不支持lseek，遵循先进先出

函数

pipe

mkfifo

读写特性

当管道中没有数据时，读阻塞，写端关闭，读操作立即返回，管道写满时，写阻塞，读端关闭，管道破裂

可读可写，如果管道中没有数据看，读阻塞

只写方式打开，写阻塞，一直到另一个进程读打开。

只读方式打开，读阻塞，一直到另一个进程写打开。

信号

  1. 信号的概念

  1. 信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步的通信方式。
  2. 信号可以直接进行用户空间进程和内核进程之间的交互，内核进程也可以利用它来通知用户空间进程发生了哪些系统事件。
  3. 如果该进程当前并未处于执行态，则该信号就由内核保存起来，直到该进程恢复执行再传递给它；如果一个信号被进程设置为阻塞，则该信号的传递被延迟，直到其阻塞被取消时才被传递给进程。

  1. 信号的响应方式

  1. 忽略信号：对信号不进行任何处理，但是有两个信号不能忽略：SIGKILL 和 SIGSTOP
  2. 捕捉信号：定义信号处理函数，当信号发生时，执行相应的处理函数。但是有两个信号不能被捕捉：即SIGKILL及SIGSTOP。
  3. 执行缺省操作：linux对每种信号都规定了默认操作
SIGINT：结束进程，对应快捷方式ctrl+c
SIGQUIT：退出信号，对应快捷方式ctrl+\
SIGKILL：结束进程，不能被忽略不能被捕捉
SIGALRM：闹钟信号，alarm函数设置定时，当到设定的时间时，内核会向进程发送此信号结束进程。
SIGTERM：结束终端进程，kill 使用时不加数字默认是此信号
SIGCHLD：子进程状态改变时给父进程发的信号
SIGSTOP：暂停进程，不能被忽略不能被捕捉
SIGTSTP：暂停信号，对应快捷方式ctrl+z

  1. 信号的种类

在Linux中，信号被分为不可靠信号和可靠信号，一共64种，可以通过kill -l命令来查看

  • 不可靠信号：也称为非实时信号，不支持排队，信号可能会丢失，比如发送多次相同的信号，进程只能收到一次，信号值取值区间为1~31
  • 可靠信号：也称为实时信号，支持排队，信号不会丢失，发多少次，就可以收到多少次，信号值取值区间为32~64

信号产生的方式有如下几种：

  • 对于前台进程，用户可以输入特殊终端字符来发送，比如输入Ctrl+C
  • 系统异常，比如浮点异常和非法内存段访问（段错误）
  • 系统状态变化，比如alarm定时器到期时将引起SIGALRM信号
  • 在终端运行kill命令或在程序中调用kill函数 kill -9 PID：杀死进程

  1. 函数接口

int kill(pid_t pid, int sig);
功能：信号发送
参数：pid：指定进程
   sig：要发送的信号
返回值：成功 0     
       失败 -1

int raise(int sig);
功能：进程向自己发送信号
参数：sig：信号
返回值：成功 0   
      失败 -1

int pause(void);
功能：用于将调用进程挂起，直到收到信号为止。

unsigned int alarm(unsigned int seconds)
功能：在进程中设置一个定时器
参数：seconds：定时时间，单位为秒
返回值：如果调用此alarm()前，进程中已经设置了闹钟时间，则
返回上一个闹钟时间的剩余时间，否则返回0。
注意：一个进程只能有一个闹钟时间。如果在调用alarm时
已设置过闹钟时间，则之前的闹钟时间被新值所代替

信号处理函数

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
功能：信号处理函数
参数：signum：要处理的信号
      handler：信号处理方式
            SIG_IGN：忽略信号
            SIG_DFL：执行默认操作
           handler：捕捉信号  void handler(int sig){} //函数名可以自定义
返回值：成功：设置之前的信号处理方式
      失败：-1
      
用法：
//忽略SIGINT信号
signal（SIGINT，SIG_IGN）
//缺省
signal（2，SIG_DFL）

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