十二、进程间通信

news2024/11/25 6:51:04

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零、前置知识

一、什么是进程间通信

（一）含义

（二）发展

（三）类型

1.管道

2.System V IPC

3.POSIX IPC

二、为什么要有进程间通信

三、怎么进行进程间通信

（一）什么是管道

（二）匿名管道 

1.匿名管道的原理

2.匿名管道的创建：pipe函数

3.匿名管道使用步骤

4.匿名管道读写规则

（二）管道特点

1.管道内部自带同步与互斥机制。

2.管道的生命周期随进程。

3.管道提供的是流式服务。

4.管道是半双工通信的。

  （三）管道的四种特殊情况

  （四）匿名管道特征总结:

二、命名管道(FIFO)

（一）创建命名管道

2.代码实现

3.运行总结

4.命令行创建命名管道

零、前置知识

  1. 因为进程具有独立性，如果两个或者多个进程需要相互通信，就必须要看到同一份资源：就是一段内存！这个内存可能以文件的方式提供，也可能以队列的方式，也可能提供的就是原始的内存块！
  2. 这个公共资源应该属于谁？这个公共资源肯定不属于任何进程，如果这个资源属于进程，这个资源就不应该再让其它进程看到，要不然进程的独立性怎么保证呢？所以这个资源只能属于操作系统！
  3. 进程间通信的前提：是有OS参与，提供一份所有通信进程能看到的公共资源！

一、什么是进程间通信

（一）含义

进程间通信（IPC，InterProcess Communication）是指在不同进程之间传播或交换信息。IPC的方式通常有管道（包括匿名管道和命名管道）、消息队列、信号量、共享内存等。

进程间通信的本质就是，让不同的进程看到同一份资源。 

由于各个运行进程之间具有独立性，这个独立性主要体现在数据层面，而代码逻辑层面可以私有也可以公有（例如父子进程），因此各个进程之间要实现通信是非常困难的。

各个进程之间若想实现通信，一定要借助第三方资源，这些进程就可以通过向这个第三方资源写入或是读取数据，进而实现进程之间的通信，这个第三方资源实际上就是操作系统提供的一段内存区域。

因此，进程间通信的本质就是，让不同的进程看到同一份资源（内存，文件内核缓冲等）。 由于这份资源可以由操作系统中的不同模块提供，因此出现了不同的进程间通信方式。

（二）发展

  • 管道
  • System V进程间通信
  • POSIX进程间通信

（三）类型

典型进程间通信方式： 管道，共享内存，消息队列，信号量，网络通信，文件 等多种方式！

 1.管道

  1. 匿名管道pipe
  2. 命名管道

2.System V IPC

  1. System V 消息队列
  2. System V 共享内存
  3. System V 信号量

3.POSIX IPC

  1. 消息队列
  2. 共享内存
  3. 信号量
  4. 互斥量
  5. 条件变量
  6. 读写锁

二、为什么要有进程间通信

  • 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。

三、怎么进行进程间通信

（一）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”

  

例如，统计我们当前使用云服务器上的登录用户个数。

其中，who命令和wc命令都是两个程序，当它们运行起来后就变成了两个进程，who进程通过标准输出将数据打到“管道”当中，wc进程再通过标准输入从“管道”当中读取数据，至此便完成了数据的传输，进而完成数据的进一步加工处理。

注明： who命令用于查看当前云服务器的登录用户（一行显示一个用户），wc -l用于统计当前的行数。

（二）匿名管道 

1.匿名管道的原理

匿名管道用于进程间通信，且仅限于本地父子进程之间的通信。

进程间通信的本质就是，让不同的进程看到同一份资源，使用匿名管道实现父子进程间通信的原理就是，让两个父子进程先看到同一份被打开的文件资源，然后父子进程就可以对该文件进行写入或是读取操作，进而实现父子进程间通信。

注意：

  • 这里父子进看到的同一份文件资源是由操作系统来维护的，所以当父子进程对该文件进行写入操作时，该文件缓冲区当中的数据并不会进行写时拷贝。
  • 管道虽然用的是文件的方案，但操作系统一定不会把进程进行通信的数据刷新到磁盘当中，因为这样做有IO参与会降低效率，而且也没有必要。也就是说，这种文件是一批不会把数据写到磁盘当中的文件，换句话说，磁盘文件和内存文件不一定是一一对应的，有些文件只会在内存当中存在，而不会在磁盘当中存在。

父进程写入文件的缓冲区，子进程去缓冲区里读，就实现了两个进程看到同一份资源，这个用于通信的内存级文件就叫做管道（普通级文件是为了保存数据到磁盘的）。struct file中有inode，inode中有一个联合体可以来表示自己是管道/块设备/文件/字符！

2.匿名管道的创建：pipe函数

pipe函数用于创建匿名管道，pip函数的函数原型如下：

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

pipe函数的参数是一个输出型参数，数组pipefd用于返回两个指向管道读端和写端的文件描述符：

为了方便理解：

0 - 嘴巴 - 读

1 - 钢笔 - 写字 

 pipe函数调用成功时返回0，调用失败时返回-1。

3.匿名管道使用步骤

在创建匿名管道实现父子进程间通信的过程中，需要pipe函数和fork函数搭配使用，具体步骤如下：

        1.父进程调用pipe函数创建管道。

         2.父进程创建子进程。

        3.父进程关闭写端，子进程关闭读端,或者父进程关闭读端,子进程关闭写端.

注意： 

  • 管道只能够进行单向通信，因此当父进程创建完子进程后，需要确认父子进程谁读谁写，然后关闭相应的读写端。
  • 从管道写端写入的数据会被内核缓冲区，直到从管道的读端被读取。

我们可以站在文件描述符的角度再来看看这三个步骤：

1.父进程调用pipe函数创建管道。

 2.父进程创建子进程。

 3.父进程关闭写端，子进程关闭读端,或者父进程关闭读端,子进程关闭写端.

示例代码： 

将可变参数 “…” 按照format的格式格式化为字符串，然后再将其拷贝至str中。

snprintf()，函数原型为int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...)。
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>



using namespace std;

int main() {
    int fd[2] = {0};

    if (pipe(fd) < 0) {
        perror("perror error");
        return 1;
    }
    pid_t id = fork();
    assert(id >= 0);

    if (id == 0) {
        //   子进程进行写入
        close(fd[0]); // 子进程关闭读端
        const char *s = "我是子进程,我正在给你发消息";
        int count = 10;

        while (count --) {
            char buff[1024];
            snprintf(buff,sizeof buff,"child->parent say: %s[%d][%d]",s,count,getpid());
            write(fd[1],buff, strlen(buff));

            sleep(1);
            cout << "count : " << count << endl;            
        }


        close(fd[1]);
        cout << "子进程关闭自己的写端" << endl;
        exit(0);
    }

     // 父进程进行读取

    close(fd[1]);

    while (1) {
        sleep(1);

        char buff[1024];

        ssize_t s = read(fd[0],buff,sizeof(buff) - 1);
        if (s > 0) {
            buff[s] = '\0';
            cout << "Get Message# " << buff << " | my pid: " << getpid() << endl;
        }
        else if(s == 0) {  当read返回0时说明写端已关闭，所以要退出
            cout << "read file end" << endl;
            break;
        }
        else {
            cout << "read error" << endl;
            break;
        }
    }

    close(fd[0]);
    cout << "父进程关闭读端" << endl;
    int status = 0;
    int n = waitpid(id,&status,0);

    assert(n == id);

    cout <<"pid->"<< n << " : "<< (status & 0x7F) << endl;
    return 0;
}

运行结果如下： 

 

  • 当子进程没有写入数据的时候，父进程在等。所以，子进程写入之后，父进程才能read(会返回)到数据，父进程打印读取数据要以子进程的节奏为主!
  • 父进程和子进程读写管道的时候(是有一定的顺序性的！)。那么父子进程各自printf的时候，会有顺序吗?——答：无序。printf就是向显示器写入，也是文件，但是缺乏访问控制。
  • 父进程和子进程读写管道的时候：——管道内部，没有数据，reader就必须阻塞等待(read)，等管道有数据（阻塞等待就是当前进程的 task_ struct 放入等待队列中，R->S/D/T）
  • 管道内部，如果数据被写满，writer就必须阻塞等待(write)等待管道中有空间因为pipe内部自带访问控制机制——同步和互斥机制。

4.匿名管道读写规则

pipe2函数与pipe函数类似，也是用于创建匿名管道，其函数原型如下：

int pipe2(int pipefd[2], int flags);

pipe2函数的第二个参数用于设置选项。

1、当没有数据可读时：

O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来为止。
O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。
2、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：write调用返回-1，errno值为EAGAIN。
3、如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0。

4、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。

5、当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，Linux将保证写入的原子性。

6、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。

 

（二）管道特点

1.管道内部自带同步与互斥机制。

我们将一次只允许一个进程使用的资源，称为临界资源。管道在同一时刻只允许一个进程对其进行写入或是读取操作，因此管道也就是一种临界资源。

临界资源是需要被保护的，若是我们不对管道这种临界资源进行任何保护机制，那么就可能出现同一时刻有多个进程对同一管道进行操作的情况，进而导致同时读写、交叉读写以及读取到的数据不一致等问题。

为了避免这些问题，内核会对管道操作进行同步与互斥：

  • 同步： 两个或两个以上的进程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。比如，A任务的运行依赖于B任务产生的数据。
  • 互斥： 一个公共资源同一时刻只能被一个进程使用，多个进程不能同时使用公共资源。也就是说，互斥具有唯一性和排它性，但互斥并不限制任务的运行顺序


2.管道的生命周期随进程。

管道本质上是通过文件进行通信的，也就是说管道依赖于文件系统，那么当所有打开该文件的进程都退出后，该文件也就会被释放掉，所以说管道的生命周期随进程。        

3.管道提供的是流式服务。

对于进程A写入管道当中的数据，进程B每次从管道读取的数据的多少是任意的，这种被称为流式服务，与之相对应的是数据报服务：

  • 流式服务： 数据没有明确的分割，不分一定的报文段。
  • 数据报服务： 数据有明确的分割，拿数据按报文段拿。\

4.管道是半双工通信的。

在数据通信中，数据在线路上的传送方式可以分为以下三种：

单工通信(Simplex Communication)：单工模式的数据传输是单向的。通信双方中，一方固定为发送端，另一方固定为接收端。
半双工通信(Half Duplex)：半双工数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输。
全双工通信(Full Duplex)：全双工通信允许数据在两个方向上同时传输，它的能力相当于两个单工通信方式的结合。全双工可以同时(瞬时)进行信号的双向传输。


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。

  （三）管道的四种特殊情况

在这里插入图片描述

在使用管道时，可能出现以下四种特殊情况：

  • 写端进程不写，读端进程一直读，那么此时会因为管道里面没有数据可读，对应的读端进程会被挂起(阻塞)，直到管道里面有数据后，读端进程才会被唤醒。
  • 读端进程不读，写端进程一直写，那么当管道被写满后，对应的写端进程会被挂起（阻塞），直到管道当中的数据被读端进程读取后，写端进程才会被唤醒。
  • 写端进程将数据写完后将写端关闭，那么读端进程将管道当中的数据读完后，就会继续执行该进程之后的代码逻辑，而不会被挂起。（也就是说读端一直读，写端不写并且关闭，读取到0，代表文件结束。）
  • 读端进程将读端关闭，而写端进程还在一直向管道写入数据，那么操作系统会将写端进程杀掉（写端被OS发送13号信号SIGPIPE杀掉）。

其中前面两种情况就能够很好的说明，管道是自带同步与互斥机制的，读端进程和写端进程是有一个步调协调的过程的，不会说当管道没有数据了读端还在读取，而当管道已经满了写端还在写入。读端进程读取数据的条件是管道里面有数据，写端进程写入数据的条件是管道当中还有空间，若是条件不满足，则相应的进程就会被挂起，直到条件满足后才会被再次唤醒。

第三种情况也很好理解，读端进程已经将管道当中的所有数据都读取出来了，而且此后也不会有写端再进行写入了，那么此时读端进程也就可以执行该进程的其他逻辑了，而不会被挂起。

第四种情况就是说：既然管道当中的数据已经没有进程会读取了，那么写端进程的写入将没有意义，因此操作系统直接将写端进程杀掉。（假设子进程是写端）而此时子进程代码都还没跑完就被终止了，属于异常退出，那么子进程必然收到了某种信号。

由此可知，当发生情况四时，操作系统向子进程发送的是SIGPIPE信号将子进程终止的。（13号）

  （四）匿名管道特征总结:

（命令行管道|，其实就是匿名管道）

  • 管道只能用来进行具有血缘关系的进程之间，进行进程间通信。常用于父子通信
  • 管道只能单向通信(内核实现决定的)，半双工的一 种特殊情况（半双工：某时某刻只要一个人在说一个人在听）
  • 管道自带同步机制(pipe满—> writer等 ;  pipe空—>  reader等) --自带访问控制
  • 管道是面向字节流的----现在还解释不清楚--先写的字符，一定是先被读取的，没有格式边界，需要用户来定义区分内容的边界[sizeof (uint32_ t)] ---- 网络tcp,我们自定义协议的
  • 管道的生命周期--管道是文件--进程退出了，曾经打开的文件会怎么办?退出--管道的生命周期随进程。与该文件相关的所有进程退出，此文件的引用计数--到0，文件也会关闭

四、命名管道(FIFO)

  • 命名管道在某种程度上可以看做是匿名管道 ，但他打破了匿名管道只能在有血缘关系的进程间的通信。
  • 命名管道之所以可以实现进程间通信，在于通过同一个路径名而看到同一份资源，这份资源以FIFO的文件形式存在于文件系统中。
  • 它作为特殊的设备文件存在于文件系统中。因此，在进程中可以使用open()和close()函数打开和关闭命名管道。

（一）创建命名管道

#include <sys/tyoes.h>
#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode);

参数：

  • pathname是一个文件的路径名，是创建的一个命名管道的文件名；
  • 参数mode是指文件的权限，文件权限取决于(mode&~umask)的值。

返回值：

  • 返回值：若成功则返回0，否则返回-1

（二）代码实现

（三）运行总结

（四）命令行创建命名管道

$ mkfifo filename

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