第 11 章 进程间通信

11.1 进程间通信的基本概念

通过管道实现进程间通信：

        进程间通信，意味着两个不同的进程中可以交换数据。下图是基于管道（PIPE）的进程间通信的模型：

 

        可以看出，为了完成进程间通信，需要创建管道。管道并非属于进程的资源，而是和套接字一样，属于操作系统（也就不是 fork 函数的复制对象）。所以，两个进程通过操作系统提供的内存空间进行通信。下面是创建管道的函数：

#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
filedes[0]: 通过管道接收数据时使用的文件描述符，即管道出口
filedes[1]: 通过管道传输数据时使用的文件描述符，即管道入口
*/

        父进程调用函数时将创建管道，同时获取对应于出入口的文件描述符，此时父进程可以读写同一管道。但父进程的目的是与子进程进行数据交换，因此需要将入口或出口中的 1 个文件描述符传递给子进程。下面的例子是关于该函数的使用方法：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fds[2]; // 用于存储管道的文件描述符，fds[0] 用于读取，fds[1] 用于写入
    char str[] = "Who are you?"; // 待写入管道的字符串
    char buf[BUF_SIZE]; // 用于存储从管道读取的数据
    pid_t pid;

    // 调用 pipe 函数创建管道，fds 数组中保存用于 I/O 的文件描述符
    pipe(fds);

    pid = fork(); // 创建子进程，子进程将同时拥有创建管道获取的2个文件描述符，复制的并非管道，而是文件描述符

    if (pid == 0) // 子进程
    {
        write(fds[1], str, sizeof(str)); // 将字符串写入管道的写入端
    }
    else // 父进程
    {
        read(fds[0], buf, BUF_SIZE); // 从管道的读取端读取数据
        puts(buf); // 将读取的数据打印到屏幕上
    }

    return 0;
}

 运行结果：

        可以从程序中看出，首先创建了一个管道，子进程通过 fds[1] 把数据写入管道，父进程从 fds[0] 再把数据读出来。可以从下图看出： 

 通过管道进行进程间双向通信：

        下图可以看出双向通信模型：

        下面是双向通信的代码示例： 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fds[2];
    char str1[] = "Who are you?";
    char str2[] = "Thank you for your message";
    char buf[BUF_SIZE];
    pid_t pid;

    pipe(fds);
    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        write(fds[1], str1, sizeof(str1));
        sleep(2);
        read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
        printf("Child proc output: %s \n", buf);
    }
    else
    {
        read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
        printf("Parent proc output: %s \n", buf);
        write(fds[1], str2, sizeof(str2));
        sleep(3);
    }
    return 0;
}

运行结果：

         红色结果是正常运行的结果，蓝色是注释掉sleep(2)这行代码之后的结果。

         向管道传递数据时,先读的进程会把数据取走。数据在进入管道之后成为无主数据，也就是先通过read函数先读到数据的进程将得到数据，即使是 该进程将此数据传到了管道中。因此，若注释掉那行代码，子进程将读会自己之前向管道放入的数据，结果就是，父进程掉用read函数后无限期等待数据放入管道。

        当一个管道不满足需求时，就需要创建两个管道，各自负责不同的数据流动，过程如下图所示：

        使用两个管道可以避免程序流程的预测和控制。用上述模型改进的代码示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fds1[2], fds2[2];
    char str1[] = "Who are you?";
    char str2[] = "Thank you for your message";
    char buf[BUF_SIZE];
    pid_t pid;

    pipe(fds1), pipe(fds2);
    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        write(fds1[1], str1, sizeof(str1));
        read(fds2[0], buf, BUF_SIZE);
        printf("Child proc output: %s \n", buf);
    }
    else
    {
        read(fds1[0], buf, BUF_SIZE);
        printf("Parent proc output: %s \n", buf);
        write(fds2[1], str2, sizeof(str2));
    }
    return 0;
}

        运行结果：

         上面通过创建两个管道实现了功能，此时，不需要额外再使用 sleep 函数。运行结果和上面一样。

11.2 运用进程间通信

保存消息的回声服务器：

下面对第 10 章的服务器端代码进行改进，添加一个功能：

将回声客户端传输的字符串按序保存到文件中。

实现该任务将创建一个新进程，从向客户端提供服务的进程读取字符串信息，下面是代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30

void error_handling(char *message);
void read_childproc(int sig);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    int fds[2]; // 用于管道的文件描述符数组

    pid_t pid;
    struct sigaction act;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, state;
    char buf[BUF_SIZE];

    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage: %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    act.sa_handler = read_childproc; // 防止僵尸进程
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    state = sigaction(SIGCHLD, &act, 0); // 注册信号处理器，将成功的返回值给 state

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建服务端套接字
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) // 分配IP地址和端口号
        error_handling("bind() error");

    if (listen(serv_sock, 5) == -1) // 进入等待连接请求状态
        error_handling("listen() error");

    pipe(fds); // 创建管道，fds[0] 用于从子进程读取数据，fds[1] 用于向子进程写入数据

    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        // 子进程运行区域，此部分从客户端接收数据并写入文件
        FILE *fp = fopen("echomsg.txt", "wt");
        char msgbuf[BUF_SIZE];
        int i, len;
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            len = read(fds[0], msgbuf, BUF_SIZE); // 从管道读取数据
            fwrite((void *)msgbuf, 1, len, fp); // 将数据写入文件
        }
        fclose(fp);
        return 0;
    }

    while (1)
    {
        adr_sz = sizeof(clnt_adr);
        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
        if (clnt_sock == -1)
            continue;
        else
            puts("new client connected...");

        pid = fork();
        if (pid == 0)
        {
            // 子进程运行区域，此部分向客户端提供回声服务
            close(serv_sock); // 关闭服务器套接字，因为从父进程传递到了子进程
            while ((str_len = read(clnt_sock, buf, BUFSIZ)) != 0)
            {
                write(clnt_sock, buf, str_len); // 回送数据给客户端
                write(fds[1], buf, str_len); // 将数据写入管道，供子进程读取写入文件
            }

            close(clnt_sock);
            puts("client disconnected...");
            return 0;
        }
        else
            close(clnt_sock); // 通过 accept 函数创建的套接字文件描述符已经复制给子进程，因为服务器端要销毁自己拥有的
    }

    close(serv_sock);

    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

void read_childproc(int sig)
{
    pid_t pid;
    int status;
    pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
    printf("removed proc id: %d \n", pid);
}

        该代码创建了一个服务器，并使用多进程处理客户端连接。每当有新的客户端连接到服务器时，会创建一个新的子进程来处理与该客户端的通信。子进程将接收来自客户端的数据，并将数据回送给客户端。同时，子进程还会将收到的数据写入到名为"echomsg.txt"的文件中。父进程用于接受客户端的连接，并通过管道将客户端发送的数据传递给子进程进行处理。

         配合第十章的客户端代码运行结果：

服务器端：

客户端： 

 生成的txt文件：

        从图上可以看出，服务端已经生成了文件，把客户端的消息保存下来。

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习题 ：

1、什么是进程间通信？分别从概念和内存的角度进行说明。

        从概念上讲，进程间通信是指两个或多个进程之间交换数据、共享资源或进行通信的机制。它允许不同进程之间进行数据传递和信息交换，从而实现协作和资源共享。

        从内存的角度来看，进程间通信意味着不同进程之间需要访问彼此的内存空间。由于每个进程有独立的虚拟内存空间，进程间不能直接访问对方的内存。因此，需要通过特定的IPC机制，如管道、共享内存、消息队列、信号量等，来实现数据的传递和共享。

2、进程间通信需要特殊的 IPC 机制，这是由于操作系统提供的。进程间通信时为何需要操作系统的帮助？

        为了进行进程间通信，需要管道的帮助，但是管道不是进程的资源，它属于从操作系统，所以，两个进程通过操作系统提供的内存空间进行通信。

        操作系统作为进程的管理者和协调者，提供了特殊的IPC机制。这样，进程间可以协同工作，共享信息和资源，实现复杂的计算和任务。同时，操作系统对进程间通信进行控制和保护，确保系统的稳定性和安全性。

3、「管道」是典型的 IPC 技法。关于管道，请回答以下问题：

i、管道是进程间交换数据的路径。如何创建此路径？由谁创建？

        使用 pipe 函数进行创建，由操作系统创建。父进程调用该函数时将创建管道。+

ii、为了完成进程间通信。2 个进程要同时连接管道。那2 个进程如何连接到同一管道？

        数组中有两个文件描述符，父子进程调用相关函数时，通过 fork 函数，把 1 个文件描述符传递给子进程。      

iii、  管道允许 2 个进程间的双向通信。双向通信中需要注意哪些内容？

        向管道传输数据时，先读的进程会把数据取走。简言之，就是数据进入管道后会变成无主数据，会被先调用read函数的进程读取，这个进程可能是自己。所以有时候为了防止错误，需要多个管道来进程通信。