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🔥个人专栏：Linux—登神长阶
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1. 初识进程间通信 🚀
1.1 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
1.2 为什么要有进程间通信 ❓
为了实现两个或者多个进程实现数据层面的交互，因为进程独立性的存在，导致进程通信的成本比较高
很多场景下需要多个进程协同工作来完成要求。如下：
- 这条命令首先使用 cat 读取 log.txt 的内容，然后通过管道 (
|) 将输出传递给 grep 命令。grep 用于搜索指定的字符串。 - grep Hello
:这个命令搜索包含 "Hello" 的行。
1.3 进程间通信的方式
管道（通过文件系统通信）
- 匿名管道pipe
- 命名管道
- System V 消息队列
- System V 共享内存
- System V 信号量
- 消息队列
- 共享内存
- 信号量
- 互斥量
- 条件变量
- 读写锁
注意：
- System V 标准需要重新构建操作系统代码来实现进程通信，比较繁琐。
- 在 System V 标准出现之前，而「管道通信」是直接复用现有操作系统的代码
- 现在本地通信已经被网络通信取代，所以进程间通信方式只重点介绍管道通信和共享内存通信
知识补充：
（1）进程间通信的本质：必须让不同的进程看到同一份“资源”（资源：特定形式的内存空间）
（2）这个资源谁提供？一般是操作系统
- 为什么不是我们两个进程中的一个呢？假设一个进程提供，这个资源属于谁？
- 这个进程独有，破坏进程独立性，所以要借用第三方空间
（3）我们进程访问这个空间，进行通信，本质就是访问操作系统！
- 进程代表的就是用户，资源从创建，使用（一般），释放--系统调用接口！
2. 匿名管道 🔍
2.1 什么是管道
进程可以通过 读/写 的方式打开同一个文件，操作系统会创建两个不同的文件对象 file，但是文件对象 file 中的内核级缓冲区、操作方法集合等并不会额外创建，而是一个文件的文件对象的内核级缓冲区、操作方法集合等通过指针直接指向另一个文件的内核级缓冲区、操作方法集合等。
- 这样以读方式打开的文件和以写方式打开的文件共用一个 内核级缓冲区
- 进程通信的前提是不同进程看到同一份共享资源
所以根据上述原理，父子进程可以看到同一份共享资源：被打开文件的内核级缓冲区。父进程向被打开文件的内核级缓冲区写入，子进程从被打开文件的内核级缓冲区读取，这样就实现了进程通信！
- 这里也将被打开文件的内核级缓冲区称为 「 管道文件」，而这种由文件系统提供公共资源的进程间通信，就叫做「 管道 」
注意：
此外，管道通信只支持单向通信，即只允许父进程传输数据给子进程，或者子进程传输数据给父进程。
- 当父进程要传输数据给子进程时，就可以只使用以写方式打开的文件的管道文件，关闭以读方式打开的文件，
- 同样的，子进程只是用以读方式打开的文件的管道文件，关闭掉以写方式打开的文件。
- 父进程向以写方式打开的文件的管道文件写入，子进程再从以读方式打开的文件的管道文件读取，从而实现管道通信。如果是要子进程向父进程传输数据，同理即可。
管道特点总结：
- 一个进程将同一个文件打开两次，一次以写方式打开，另一次以读方式打开。此时会创建两个struct file，而文件的属性会共用，不会额外创建
- 如果此时又创建了子进程，子进程会继承父进程的文件描述符表，指向同一个文件，把父子进程都看到的文件，叫管道文件
管道只允许单向通信
管道里的内容不需要刷新到磁盘
2.2 创建匿名管道
匿名管道：没有名字的文件(struct file)
匿名管道用于父子间通信，或者由一个父创建的兄弟进程（必须有“血缘“）之间进行通信
#include <unistd.h>
原型：int pipe(int fd[2]);
功能:创建匿名管道
参数 fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值:成功返回0，失败返回错误代码
使用如下：
-
int main() { // 1. 创建管道 int fds[2] = {0}; int n = pipe(fds); // fds: 输出型参数 if(n != 0){ std::cerr << "pipe error" << std::endl; return 1; } std::cout << "fds[0]: " << fds[0] << std::endl; std::cout << "fds[1]: " << fds[1] << std::endl; return 0; } // 运行如下： island@VM-8-10-ubuntu:~/code$ ./code fds[0]: 3 fds[1]: 4 -
输出型参数：文件的描述符数字带出来，让用户使用-->3,4，因为0,1,2分别被stdin，stdout，stderr占用。
2.3 匿名管道通信案例（父子通信）
情况一：管道为空 && 管道正常（read 会阻塞【read 是一个系统调用】）
具体代码演示如下：（子进程写入，父进程读取）
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <cstdlib>
// 父进程 -- 读取
// 子进程 -- 写入
void write(std::string &info, int cnt)
{
info += std::to_string(getpid());
info += ", cnt: ";
info += std::to_string(cnt);
info += ')';
}
int main()
{
// 1. 创建管道
int fds[2] = {0};
int n = pipe(fds); // fds: 输出型参数
if (n != 0)
{
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;
}
else if (id == 0)
{
// 子进程
// 3. 关闭不需要的 fd, 关闭 read
int cnt = 0;
while (true)
{
close(fds[0]);
std::string message = "(IsLand1314, pid: ";
write(message, cnt);
cnt++;
sleep(2);
}
exit(0);
}
else
{
// 父进程
// 3. 关闭不需要的 fd, 关闭 write
close(fds[1]);
char buffer[1024];
while(true)
{
ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);
if(n > 0)
{
buffer[n] = 0;
std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;
}
}
// 记录退出信息
pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);
std::cout << "father wait chile success" << rid << std::endl;
}
return 0;
}子进程每隔 2 s 向父进程写入数据，并且打印，如下：
从上面可以知道：
- 子进程写入的信息是变化的信息
- 父进程打印信息的时间间隔和子进程一样，那么子进程没传入信息的时候，父进程处于阻塞 --> (IPC 本质：先让不同的进程，看到同一份资源，可以保护共享资源)
情况二：管道为满 && 管道正常（write 会阻塞【write 是一个系统调用】）
如下对代码做点修改（红框内的代码）
管道有上限，Ubuntu -> 64 KB
如果我们让父进程正常读取，那么结果又是怎样的呢？
运行如下：
当我们到 65536 个字节时，管道已满，父进程读取了管道数据，子进程会继续进行写入，然后进行继续读取，就有点数据溢出的感觉
情况三：管道写端关闭 && 读端继续（读端读到0，表示读到文件结尾）
代码修改如下：
else if (id == 0)
{
int cnt = 0, total = 0;
while (true)
{
close(fds[0]);
std::string message = "h";
// fds[1]
total += ::write(fds[1], message.c_str(), message.size());
cnt++;
std::cout << "total: " << total << std::endl; // 最后写到 65536 个字节
sleep(2);
break; // 写端关闭
}
exit(0);
}
else
{
// 父进程
// 3. 关闭不需要的 fd, 关闭 write
close(fds[1]);
char buffer[1024];
while (true) {
sleep(1);
ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);
if (n > 0) {
buffer[n] = 0;
std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;
}
else if (n == 0) {
std::cout << "n: " << n << std::endl;
std::cout << "child quit??? me too " << std::endl;
break;
}
std::cout << std::endl;
}
pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);
std::cout << "father wait chile success" << rid << std::endl;
}运行如下：
结论：如果写端关闭，读端读完管道内部数据，再读取就会读取到返回值 0，表示对端关闭，也表示读到文件结尾
情况四：管道写端正常 && 读端关闭（OS 会直接杀掉写入进程）
情况二：
如何杀死呢？
a. OS 会给 目标进程发送信号：13) SIGPIPE
b. 证明如下；
else if (id == 0)
{
int cnt = 0, total = 0;
while (true)
{
close(fds[0]);
std::string message = "h";
// fds[1]
total += ::write(fds[1], message.c_str(), message.size());
cnt++;
std::cout << "total: " << total << std::endl; // 最后写到 65536 个字节
sleep(2);
}
exit(0);
}
else
{
close(fds[1]);
char buffer[1024];
while (true)
{
sleep(1);
ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);
if (n > 0)
{
buffer[n] = 0;
std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;
}
else if (n == 0)
{
std::cout << "n: " << n << std::endl;
std::cout << "child quit??? me too " << std::endl;
break;
}
close(fds[0]); // 读端关闭
break;
std::cout << std::endl;
}
// 记录退出信息
int status = 0;
pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
std::cout << "father wait chile success: " << rid << " exit code: " <<
((status << 8) & 0xFF) << ", exit sig: " << (status & 0x7F) << std::endl;
}运行如下：
小结
🦋 管道读写规则
- 当没有数据可读时
- read 调用阻塞，即进程暂停执行，一直阻塞等待
- read 调用返回-1，errno值为EAGAIN。
- 当管道满的时候
- write 调用阻塞，直到有进程读走数据
- 调用返回-1，errno值为 EAGAIN
- 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0
- 如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号
2.4 匿名管道特性
-
匿名管道：只用来进行具有血缘关系的进程之间，进行通信，常用于父子进程之间通信
-
管道文件的生命周期是随进程的
-
管道内部，自带进程之间同步的机制（多执行流执行代码的时候，具有明显的顺序性）
-
管道文件在通信的时候，是面向字节流的。（写的次数和读取的次数不是一一匹配的）
-
管道的通信模式，是一种特殊的半双工模式，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道
3. 管道通信的场景 - 进程池 💦
- 父进程创建多个子进程，并为每个子进程创建一个管道文件，父进程为写端，子进程为读端。父进程给子进程通过管道传输任务，这就是进程池。
- 如果父进程没有给子进程传输任务，即管道文件中没有数据，根据进程通信情况1，读端即子进程会阻塞等待父进程传输任务。
- 此外父进程还要给子进程平衡任务，不能让某个进程特别繁忙，其他进程没有任务可做。这就是负载均衡。
进程池 -- 源码实现
后面我会写一篇博客专门来讲这个，敬请期待
4. 命名管道 🦌
4.1 介绍
- 匿名管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。
- 如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。
- 命名管道是一种特殊类型的文件（命名管道 -- > mkfifo）
4.2 创建命名管道
- Linux系统中，使用 mkfifo 命令创建有名管道文件，再使用两个进程打开即可
$ mkfifo filename
如上图，当我们在终端1创建了一个命名管道后，往里面写东西，管道不会关闭，在终端2上发现，它的内存大小还是0。
- 当我们在终端2打印出内容后，管道就自动关闭了。如下图：
- Linux 系统编程中使用 mkfifo 函数创建一个管道文件，再让两个不相关的进程打开：
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
参数
- pathname：要创建的命名管道的路径名。
- mode：创建命名管道时设置的权限模式，通常以 8 进制表示，比如 0666。
返回值
- 若成功，返回值为 0；若失败，返回值为 -1，并设置errno来指示错误类型。
功能
- mkfifo() 函数的作用是在文件系统中创建一个特殊类型的文件，该文件在外观上类似于普通文件，但实际上是一个FIFO，用于进程之间的通信。
- 这种通信方式是单向的，即数据写入FIFO的一端，可以从另一端读取出来，按照先进先出的顺序。
🎢 案例：
std::string fifoPath = "/tmp/my_named_pipe"; // 命名管道的路径名
mkfifo(fifoPath.c_str(), 0666); // 创建权限为0666的命名管道注意事项
- 路径名：确保要创建的命名管道路径名合法且没有重复。
- 权限模式：根据实际需求设置合适的权限模式，确保可被需要访问该管道的进程所访问。
- 错误处理：对 mkfifo() 函数的返回值进行适当的错误处理，根据具体的错误原因进行相应的处理和日志记录。
4.3 命名管道通信案例
先写如下的几个文件：
Comm.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
const std::string gpipeFile = "./fifo";
const mode_t gmode = 0600;
const int gdefultfd = -1;
const int gsize = 1024;
Client.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include "Comm.hpp" // 让不同代码看到同一份资源
class Client
{
public:
Client():_fd(gdefultfd)
{}
bool OpenPipe()
{
_fd = ::open(gpipeFile.c_str(), O_WRONLY);
if(_fd < 0)
{
std::cerr << "open error" << std::endl;
return false;
}
return true;
}
// std::string *: 输出型参数
// const std::string &: 输入型参数
// std::string &: 输入输出型参数
int SendPipe(const std::string &in)
{
return ::write(_fd, in.c_str(), in.size());
}
void ClosePipe()
{
if(_fd>=0)
::close(_fd);
}
~Client()
{}
private:
int _fd;
};Server.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include "Comm.hpp"
class Init
{
public:
Init()
{
umask(0);
int n = ::mkfifo(gpipeFile.c_str(), gmode);
if (n < 0)
{
std::cerr << "mkfifo error" << std::endl;
return;
}
std::cout << "mkfifo success" << std::endl;
// sleep(10);
}
~Init()
{
int n = ::unlink(gpipeFile.c_str());
if (n < 0)
{
std::cerr << "unlink error" << std::endl;
return;
}
std::cout << "unlink success" << std::endl;
}
};
Init init;
class Server
{
public:
Server(): _fd(gdefultfd)
{}
bool OpenPipe()
{
_fd = ::open(gpipeFile.c_str(), O_RDONLY);
if(_fd < 0)
{
std::cerr << "open cerr" << std::endl;
return false;
}
return true;
}
// std::string *: 输出型参数
// const std::string & : 输入型参数
// std::string &: 输入输出型参数
int RecvPipe(std::string *out)
{
char buffer[gsize];
ssize_t n = ::read(_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if(n > 0)
{
buffer[n] = 0;
*out = buffer;
}
return n;
}
void ClosePipe()
{
if(_fd>=0)
::close(_fd);
}
~Server()
{}
private:
int _fd;
};Client.cc(客户端，写入）
#include "Client.hpp"
#include <iostream>
int main()
{
Client client;
client.OpenPipe();
std::string message;
while(true)
{
std::cout << "Please Entere# ";
std::getline(std::cin, message);
client.SendPipe(message);
}
client.ClosePipe();
return 0;
}
Server.cc（服务端，读取显示）
#include "Server.hpp"
#include <iostream>
int main()
{
Server server;
server.OpenPipe();
std::string message;
while(true)
{
server.RecvPipe(&message);
std::cout << "client Say# " << message << std::endl;
}
server.ClosePipe();
return 0;
}Makefile（通过 make 指令来生成可执行文件）
SERVER=server
CLIENT=client
CC=g++
SERVER_SRC=Server.cc
Client_SRC=Client.cc
.PHONY:all
all:$(SERVER) $(CLIENT)
$(SERVER):$(SERVER_SRC)
$(CC) -o $@ $^ -std=c++11
$(CLIENT):$(Client_SRC)
$(CC) -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:
rm -f $(SERVER) $(CLIENT)- .PHONY:all ：这行声明 all 是一个伪目标。即使文件系统中存在一个名为 all 的文件，make all 命令也会执行与 all 相关的规则，而不是认为目标已经是最新的。
- all:server client ：这行定义了 all 伪目标的依赖，即 server 和 client。当运行 make all 时，Makefile 会首先尝试构建 server 和 client 目标。
运行结果如下：
命名管道演示1
注意：如果客户端先退出，那么接收端就会进入死循环
命名管道演示 - 死循环
原因：
- 类似于我们上面说的匿名管道写端关闭，读端继续，读端读到0（文件结尾）
- 死循环是因为 Server.hpp 文件只处理了 n > 0 的情况，因此我们需要做出一些修改，如下对 Server.cc文件做出的修改
运行结果如下：
命名管道-死循环解决演示
为了让我们代码更加优美，并且解决一些代码重复问题，我们再进行一步完善
// Comm.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
const std::string gpipeFile = "./fifo";
const mode_t gmode = 0600;
const int gdefultfd = -1;
const int gsize = 1024;
const int gForRead = O_RDONLY;
const int gForWrite = O_WRONLY;
int OpenPipe(int flag)
{
int fd = ::open(gpipeFile.c_str(), gForRead);
if(fd < 0)
{
std::cerr << "open cerr" << std::endl;
return false;
}
return fd;
}
void ClosePipeHelper(int fd)
{
if(fd>=0) ::close(fd);
}
// Client.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include "Comm.hpp" // 让不同代码看到同一份资源
class Client
{
public:
Client():_fd(gdefultfd)
{}
bool OpenPipeForWrite()
{
_fd = OpenPipe(gForWrite);
if(_fd < 0) return false;
return true;
}
int SendPipe(const std::string &in)
{
return ::write(_fd, in.c_str(), in.size());
}
void ClosePipe()
{
ClosePipeHelper(_fd);
}
~Client()
{}
private:
int _fd;
};
// Server.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include "Comm.hpp"
class Init
{
public:
Init()
{
umask(0);
int n = ::mkfifo(gpipeFile.c_str(), gmode);
if (n < 0)
{
std::cerr << "mkfifo error" << std::endl;
return;
}
std::cout << "mkfifo success" << std::endl;
// sleep(10);
}
~Init()
{
int n = ::unlink(gpipeFile.c_str());
if (n < 0)
{
std::cerr << "unlink error" << std::endl;
return;
}
std::cout << "unlink success" << std::endl;
}
};
Init init;
class Server
{
public:
Server(): _fd(gdefultfd)
{}
bool OpenPipeForRead()
{
_fd = OpenPipe(gForRead);
if(_fd < 0) return false;
return true;
}
int RecvPipe(std::string *out)
{
char buffer[gsize];
ssize_t n = ::read(_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if(n > 0)
{
buffer[n] = 0;
*out = buffer;
}
return n;
}
void ClosePipe()
{
ClosePipeHelper(_fd);
}
~Server()
{}
private:
int _fd;
};深入研究管道，继续对 Server.cc 文件进行修改，看看其第一次打开的时候在哪里阻塞
int main()
{
Server server;
std::cout << "pos 1" << std::endl;
server.OpenPipeForRead();
std::cout << "pos 2" << std::endl;
std::string message;
while (true)
{
if (server.RecvPipe(&message) > 0)
{
std::cout << "client Say# " << message << std::endl;
}
else
{
break;
}
std::cout << "pos 3" << std::endl;
}
std::cout << "client quit, me too!" << std::endl;
server.ClosePipe();
return 0;
}运行如下：
命名管道-阻塞演示
结论：
- 读端打开文件的时候，写端还没有打开，读端对用的 open 就会阻塞
4.4 匿名管道与命名管道的区别
🎀 匿名管道与命名管道的区别
- 匿名管道由 pipe函数 创建并打开。
- 命名管道由 mkfifo函数 创建，打开用open。
- FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义。
4.5 命名管道的打开规则
🎈 如果当前打开操作是为读而打开FIFO时
- O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
- O_NONBLOCK enable：立刻返回成功
🎈 如果当前打开操作是为写而打开FIFO时
- O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
- O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO
5. 小结📖
管道是一种用于进程间通信（IPC）的机制，允许一个进程将数据传递给另一个进程。在类Unix操作系统中，管道通常由内核提供，使用简单的读写接口。
管道分为两种类型：无名管道和命名管道
- 无名管道主要用于具有亲缘关系的进程（如父子进程），在创建时不需要名称，只能通过文件描述符进行访问
- 命名管道（FIFO）则可以在任何进程之间通信，使用文件系统中的路径来标识
管道的特点
- 管道是单向的：数据在一个方向上流动，从写端（写入数据的进程）到读端（读取数据的进程）
- 在写端，数据会被写入一个缓冲区，读端则从这个缓冲区读取数据
- 管道的缓冲区大小有限，因此如果写入的数据超过缓冲区容量，写入进程会被阻塞，直到有空间可用。
管道的优点在于其简单性和高效性，适用于需要实时数据传输的场景。然而，由于其单向特性和有限的缓冲区，复杂的通信需求可能需要其他IPC机制，如消息队列或共享内存。总的来说，管道是一种基础而有效的进程间通信工具。
【*★,°*:.☆(￣▽￣)/$:*.°★* 】那么本篇到此就结束啦，如果我的这篇博客可以给你提供有益的参考和启示，可以三连支持一下 ！！
