1. 进程间通信介绍

1.1 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。

1.2 进程间通信分类

我们知道：进程是具有独立性的。如果我们想让进程之间交互数据，我们需要进程通信。而通信之前，我们最关键的是让不同的进程看到同一份资源。其实这里我们要学习的不是如何通信。而是如何看到同一份资源。由于资源的不同，决定了不同种类的通信方式。

2. 管道

2.1 什么是管道

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”。

2.2 站在文件描述符角度-深度理解管道

这是我们之前说的：一个进程打开文件的过程。现在我们想fork一下，那么它的子进程会拷贝哪些呢？答案是：子进程会拷贝父进程部分的PCB和struct file_struct，而不会拷贝struct file。而拷贝下来的子进程和父进程指向同一文件。

管道就是让写入的数据不在刷新到磁盘中，而是写入缓冲区中。所以，看待管道，就如同看待文件一样！管道的使用和文件一致，迎合了“Linux一切皆文件思想”。

那么管道具有什么特点呢？
在进程间通信中，管道是用来传输数据的，并且是单向的。

2.2.1 具体通信的过程

这里首先父进程是用两个文件描述符来打开管道的读和写。然后fork出子进程后，子进程也会指向同一个资源。如果父进程传数据给子进程，那么父进程会关闭读接口，子进程关闭写接口。反之，父进程会关闭写接口，子进程关闭读接口

现在有如下几个问题：
为什么父进程要分别打开读和写？
为了让子进程继承，那么子进程就不需要打开了。

为什么父子要关闭对应的读或写？
因为管道是单向通信的。

2.3 匿名管道

那么我们如何一次创建两个文件描述符来进行读和写呢？
系统提供了我们一个接口：

2.4 代码实现

1. 创建管道：

2. 创建子进程：

3. 实现单向的：
现在我们需要子进程来进行只读，父进程只需要写。那么我们需要关闭子进程的写和父进程的读。
现在有一个问题是：数组里那个下标放的是读，那个放的是写？
规定：下标0是读端，下标1是写端。

验证一下是否通信：

我们在父进程里写入一些变化的信息，然后通过管道让子进程去读。

这里有一个问题：子进程怎么知道父进程结束了？
原因是：管道里有一个引用计数，可以知道有多少文件指向自己。当父进程写完时就会关闭文件描述符，管道里的引用计数就会减1。

大家有没有想过这样的一个问题：父进程还没写完，子进程读完了？
答案是：这种情况在管道里不会发生。我们看下面的例子：

运行情况如下：

我们可以发现，子进程并没有去执行第二种情况。而是一直等待父进程。

结论：当父进程没有写入数据的时候，子进程在等。当父进程写入数据后，子进程才能read到数据。子进程打印读取数据要以父进程为主。父进程和子进程读写的时候，是有一定顺序性的。

在父子进程向显示器写入时，就没有这样顺序。因为它们缺乏访问控制。管道内部，是自带访问控制机制。

管道内部，没有数据，read就必须阻塞等待(等管道有数据)。
管道内部，如果数据被写满，writer就必须阻塞等待(等待管道中有空间)。

那么在命令行中的 | 这个管道是什么呢？
其实就是匿名管道。


我们可以看出管道两边的命令的ppid是一样的，也就是说它们的父亲是一样的。它们的关系是兄弟。

它是过程如下：

这是一个创建子进程的管道，当我们再创建一个进程时。

再创建一个子进程后，父进程的读写端都关闭，然后让这两个兄弟进程通信。

3. 进程控制

现在，我们想控制进程做事情，我们这样写：

这个和上面是一样的，创建管道和创建子进程。

这里我们写一个函数集合，为了让子进程去执行这些方法。

这里写了一个子进程去执行任务的代码。

那么这个(void)s是什么意思呢？
原因：assert断言，是编译有效，在debug模式下存在，release 模式，断言就没有了，一旦断言没有了，s变量就是只被定义了，没有被使用。release模式中，可能会有warning。

这是父进程指派任务的过程，父进程给子进程派送10次。

运行结果如下：

那么我们需要控制一批子进程呢？

现在父进程要给三个子进程安排不同的任务，我们有什么解决办法呢？

有几个进程，我们创建几个管道。如果我们想让进程1做某些任务，我们就往1管道里面写，如果我们想让进程2做某些任务，我们就往2管道里面写，依次类推。

代码实现：

我们这里添加了一个pair类型的结构和进程的个数。

那么第一步：我们需要创建processNum个进程。

第二步：父进程给哪个进程指派任务。

这里父进程做的事，让子进程和对应管道写端的结构体放进这个数组里。这样就能知道哪个进程对应哪个管道。

当所有的子进程创建成功后，我们就开始让父进程来派发任务。

派发任务的代码我们如何写呢？

第三步：子进程去执行任务。

那么我们就要完成这个work函数：

子进程在对应的blockFd去读。

第四步：回收资源。

运行结果如下：

4. 管道读写规则

当没有数据可读时：
O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。
O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。

当管道满的时候：
O_NONBLOCK disable： write调用阻塞，直到有进程读走数据
O_NONBLOCK enable：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SIGPIPE,进而可能导致write进程退出。
当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。
当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。

5. 管道特点

1. 只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信。通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父，子进程之间就可应用该管道。
2. 管道只能单向通信(内核实现决定的)。管道是半双工的，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. 管道自带同步机制(pipe满，write等，pipe空，read等)，也就是自带访问控制。
4. 一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程。
5. 管道是面向字节流的，先写的字符，一定是先被读取，没有格式边界，需要用户来定义区分内容的边界(比如：上面写的sizeof(uint32_t))。

6. 命名管道

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，可以使用命名管道。

6.1 创建一个命名管道

命名管道可以从命令行上创建，命令行方法是使用下面这个命令：


命名管道也可以从程序里创建，相关函数有：

我们知道：进程间通信的本质是不同的进程看到同一份资源。匿名管道是通过子进程继承父进程的文件描述符表。命名管道是通过一个fifo文件，文件有路径，所有具有唯一性。所以通过路径我们可以找到同一份资源。

6.2 代码实现

我们在这里创建两个文件，一个是客户端文件，一个是服务端文件。

首先，我们要让这两个进程看到同一份资源：

我们在这里创建了一个隐藏文件。在这个头文件里。然后我们让clientFifo文件和serverFifo文件都包含这个头文件，这样这两个进程都可以看到这个路径了。

这是makefile里面的代码，因为我们要形成两个可执行程序。

现在我们就需要创建管道文件，只需要一个进程创建管道文件，另外一个来使用这个就可以了。那么我们就在服务端创建这个管道文件：

我们先看一下运行结果：

从运行结果我们可以看到：创建了一个.fifo的文件。

现在我们想让clientFifo进程去写入，让serverFifo进程去读取：

首先，我们以写的方式打开文件，让管道的引用计数+1。

下面我们就要让它完成写入功能：

写完后进行关闭：

serverFifo也是类似的道理，我们以读的方式打开文件：

那么下面就是serverFifo读取的过程：

读取完之后，我们需要关闭：

运行结果：


从结果我们可以看到：在clientFifo里面写入，在serverFifo就能读取。

当clientFifo进程按Ctrl+d退出时，serverFifo也退出了，并且.fifo也自动删除。