LinuxC编程——进程间通信（一）(管道)

news2025/1/16 20:17:55

目录

  • 一、Linux平台通信方式发展史
  • 二、进程间通信方式⭐⭐⭐
  • 三、无名管道
    • 3.1 特点⭐⭐⭐
    • 3.2 函数pipe
    • 3.3 注意事项⭐⭐⭐
    • 3.4 练习
  • 四、有名管道
    • 4.1 特点⭐⭐⭐
    • 4.2 函数 mkfifo
    • 4.3 注意事项⭐⭐
    • 4.4 练习
  • 五、无名管道与有名管道对比⭐⭐

复杂的编程环境通常使用多个相关的进程来执行有关操作。进程之间必须进行通信，来共享资源和信息。因此，要求内核提供必要的机制，这些机制通常称为进程间通信（InterProcess Communication, IPC）。

一、Linux平台通信方式发展史

  1. 早期通信方式：早期的Unix IPC包括管道、FIFO和信号
  2. AT&T的贝尔实验室，对Unix早期的进程间通信进行了改进和扩充，形成了“system V IPC”,其通信进程主要局限在单个计算机内。
  3. BSD（加州大学伯克利分校的伯克利软件发布中心），跳过了只能在同一计算机通信的限制，形成了基于套接字（socket）的进程间通信机制。

二、进程间通信方式⭐⭐⭐

  1. 早期通信：无名管道（pipe），有名管道（fifo）、信号（sem）
  2. system V IPC：共享内存(share memory) 、信号灯集（semaphore）、消息队列（message queue）
  3. BSD：套接字（socket）

三、无名管道

3.1 特点⭐⭐⭐

  1. 只能用于具有亲缘关系的进程间进行通信
  2. 半双工通信，具有固定的读端与写端
    （单工：只能单方面传输信息->广播
    半双工：可以双向，但是同一时间只能一个方向传输信息
    全双工：可以双向同时传输信息）
  3. 无名管道可以看作一种特殊的文件，对它的读写采用文件IO：read、write
  4. 管道是基于文件描述符通信方式。当一个无名管道创建会自动创建两个文件描述符，分别的fd[0]、fd[1]，其中fd[0]固定的读端，fd[1]固定的写端

3.2 函数pipe

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
    注📢：管道要用文件I/O进行操作（read,write,close）且管道创建后，fd[0]=3,fd[1]=4
    例：
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

3.3 注意事项⭐⭐⭐

  1. 当管道中无数据时，读操作会阻塞；管道中无数据，将写端关闭，读操作会立即返回
  2. 管道中装满（管道大小64K）数据写阻塞，一旦有4k空间，写继续，直到写满为止
  3. 只有在管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，会导致管道破裂，向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIGPIPE信号 (通常Broken pipe错误)。（GDB调试可以查看到）

代码示例：

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

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int fd[2] = {0};
    if (pipe(fd) < 0)
    {
        perror("pipe error");
        return -1;
    }
    printf("fd[0]:%d  fd[1]:%d\n", fd[0], fd[1]);

    char buf1[32] = {"hello world!"};
    char buf2[32] = {0};
    // write(fd[1],buf1,strlen(buf1)); //往管道写入buf1
    // ssize_t s = read(fd[0],buf2,32);  //从管道读取数据到buf2
    // printf("%s %d\n",buf2,s);
    // close(fd[0]);
    // close(fd[1]);
#if 0
    // 1.管道中无数据，读阻塞
    read(fd[0], buf2, 32);
#endif
#if 0
    // 2.将写端关闭，读操作会立即返回
    close(fd[1]);
    read(fd[0],buf2,32);
#endif
#if 1
    //3.1 当无名管道中写满数据64k，写阻塞
    char buf[65536] = {0};
    write(fd[1], buf, 65536);
    printf("full\n");
    write(fd[1], "a", 1);
    printf("write a ok\n");
    //至少读出4k的空间，才能继续写
    read(fd[0], buf, 4095);
    write(fd[1], 'a', 1);
    printf("write 'a' ok\n");
#endif
#if 1
    // 3.1 将读端关闭，继续写
    close(fd[0]);
    write(fd[1], "a", 1);
    printf("ok...\n");
#endif
    // close(fd[0]);
    // close(fd[1]);
    return 0;
}

第三种情况管道破裂，通过GDB调试查看到的结果如下：
在这里插入图片描述

3.4 练习

父子进程实现通信，父进程循环从终端输入数据，子进程循环打印数据，输入一次打印一次，当输入quit结束，使用无名管道

/*
  练习：父子进程实现通信，父进程循环从终端输入数据，
  子进程循环打印数据，当输入quit结束，使用无名管道
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char buf[32] = {0};
    int fd[2] = {0};
    if(pipe(fd)<0) //创建无名管道
    {
        perror("pipe err");
        return -1;
    }
    pid_t pid = fork();
    if(pid < 0)
    {
        perror("fork err");
        return -1;
    }
    else if(pid == 0)
    {
        while (1) //子进程循环从管道读取数据，管道为空阻塞
        {
            read(fd[0],buf,32);
            if(strcmp(buf,"quit")==0)
                exit(0);
            printf("%s\n",buf);
        }  
    }
    else
    {
        while(1)//循环从终端输入数据,循环往管道写入数据
        {
            //scanf("%s",buf);
            fgets(buf,32,stdin);
            if(buf[strlen(buf)-1] == '\n')
                buf[strlen(buf)-1] = '\0';
            write(fd[1],buf,strlen(buf)+1);
            if(strcmp(buf,"quit")==0)
                exit(0);
        }
        wait(NULL);
    }
    close(fd[0]);
    close(fd[1]);
    return 0;
}

四、有名管道

4.1 特点⭐⭐⭐

  1. 可以用于两个不相关的进程之间通信
  2. 有名管道可以通过路径名指出，在文件系统中可见，但内容存放在内存里
  3. 通过文件IO操作
  4. 遵循先进先出，故不支持lseek操作
  5. 半双工通信

4.2 函数 mkfifo

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

  • 功能：创健有名管道
  • 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
    注意对错误的处理方式：📢📢
    如果错误是file exist时，注意加判断，如：if(errno == EEXIST)
    执行如下代码：
    在这里插入图片描述
    第一次运行：
    在这里插入图片描述
    再次运行：
    在这里插入图片描述
    处理方式：捕捉错误码，进行过滤即可👇
    在这里插入图片描述
  1. 由上面的有名管道特点的第二条可以知道，写入有名管道的内容并非存放在文件中，而是存在内存，也就是说有名管道文件的大小为0，下面进行验证：
    在这里插入图片描述
    在写后面加一个while死循环，运行后会等写完阻塞，不读出数据。然后在终端可以查看当前管道文件的大小，结果是大小为0👇
    在这里插入图片描述

4.3 注意事项⭐⭐

  1. 只写方式，写阻塞，直到另一个进程将读打开
  2. 只读方式，读阻塞，直到另一个进程将写打开
  3. 可读可写，管道中无数据，读阻塞。

验证1,2：
创建两个c文件，一个以只读方式打开有名管道，从中读数据；另一个以只写方式打开同一个有名管道，从中写数据。
只读
在这里插入图片描述
只写
在这里插入图片描述
通过运行可以看到，运行了其中任意一个，会发生阻塞，只有当再运行另一个才可以解除阻塞，两个程序得以顺利执行下去。验证了只写方式，写阻塞，直到另一个进程将读打开； 只读方式，读阻塞，直到另一个进程将写打开。
还可以得知，上面程序并不是在read或iwrite发生阻塞，而是在open函数处发生了阻塞。

补充：如果所有写进程都关闭命名管道，则只读进程的读操作会认为到达文件末尾，读操作解除阻塞并返回
验证：
以只读方式打开有名管道的程序代码1.c👇
在这里插入图片描述
以只写方式打开有名管道程序代码2.c👇
在这里插入图片描述
先执行1.c，会发生阻塞；再执行2.c，2.c不会往管道写入数据（保证1.c不会因为管道中有数据而解除阻塞），2.c间隔1秒关闭管道，可以看到原先阻塞的1.c也会在2.c执行1秒后解除阻塞，且read返回值为0。

4.4 练习

通过有名管道实现cp文件复制
方法一：两个c文件，一个只读管道，一个只写管道
3cp_MkfifoToDest.c

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

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        printf("Please input %s <des>\n",argv[0]);
        return -1;
    }
    if(mkfifo("./fifo",0666) < 0)//创建有名管道
    {
        //处理文件已存在的情况
        if(errno == EEXIST)//EEXTST=17
        {
            printf("file eexist\n");
        }
        else
        {
            perror("mkfifo err");
            return -1;
        }
    }
    //打开管道和目标文件
    int fd = open("./fifo",O_RDONLY);
    //此处一定不要用可读可写的方式打开
    //若以可读可写的方式打开，管道中无数据则读阻塞
    if(fd<0)
    {
        perror("open fifo err");
        return -1;
    }
    int dest = open(argv[1],O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
    if(fd<0)
    {
        perror("open dest err");
        return -1;
    }
    //循环读管道，写目标文件
    ssize_t s;
    char buf[32] = {0};
    while ((s=read(fd,buf,32)) != 0)
        write(dest,buf,s);
    close(fd);
    close(dest);
    return 0;
}

3cp_SrcToMkfifo.c

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

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        printf("Please input %s <src>\n",argv[0]);
        return -1;
    }
    if(mkfifo("./fifo",0666) < 0)//创建有名管道
    {
        //处理文件已存在的情况
        if(errno == EEXIST)//EEXTST=17
        {
            printf("file eexist\n");
        }
        else
        {
            perror("mkfifo err");
            return -1;
        }
    }
    //打开管道和源文件
    int fd = open("./fifo",O_WRONLY);
    if(fd<0)
    {
        perror("open fifo err");
        return -1;
    }
    int src = open(argv[1],O_RDONLY);
    if(fd<0)
    {
        perror("open src err");
        return -1;
    }

    ssize_t s;
    char buf[32] = {0};
    while ((s=read(src,buf,32)) != 0)
    {
        write(fd,buf,s);
    }
    close(fd);
    close(src);
    return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

方法二：单个c文件，用父子进程实现，父进程只写有名管道，子进程只读有名管道

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

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        printf("Please iniput %s <src> <dest>\n", argv[0]);
        return -1;
    }
    if (mkfifo("./fifo", 0666) < 0) //创建有名管道
    {
        //处理文件已存在的情况
        if (errno == EEXIST) //EEXTST=17
        {
            printf("file eexist\n");
        }
        else
        {
            perror("mkfifo err");
            return -1;
        }
    }
    //打开管道、源文件、目标文件
    
    int src = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (src < 0)
    {
        perror("open src err");
        return -1;
    }
    int dest = open(argv[2], O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (dest < 0)
    {
        perror("open dest err");
        return -1;
    }

    ssize_t s;
    char buf[32] = {0};

    pid_t pid = fork(); // 创建子进程
    if (pid < 0)
    {
        perror("fork err");
        return -1;
    }
    else if (pid == 0) //子进程从有名管道中读出数据，写到目标文件中
    {
        int fd = open("./fifo", O_RDONLY); //管道设置为只读
        if (fd < 0)
        {
            perror("open fifo err");
            return -1;
        }
        while ((s = read(fd, buf, 32)) != 0)
            write(dest, buf, s);
        printf("child end...\n");
        close(fd);
        exit(0);
    }
    else //父进程从源文件读出数据，写到有名管道中
    {
        int fd = open("./fifo", O_WRONLY); //管道设置为只写
        if (fd < 0)
        {
            perror("open fifo err");
            return -1;
        }
        while ((s = read(src, buf, 32)) != 0)
            write(fd, buf, s);
        printf("parent end...\n");
        close(fd);
        wait(NULL);
    }
    close(src);
    close(dest);
    return 0;
}

注：该程序容易被怀疑最后在子进程的read(fd, buf, 32)会发生阻塞，其实不然，这里用到了上面的一个要点：如果所有写进程都关闭命名管道，则只读进程的读操作会认为到达文件末尾，读操作解除阻塞并返回

五、无名管道与有名管道对比⭐⭐

在这里插入图片描述

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前言 &#xff08;1&#xff09;volatile 关键字作为嵌入式面试的常考点&#xff0c;很多人都不是很了解&#xff0c;或者说一知半解。 &#xff08;2&#xff09;可能有些人会说了&#xff0c;volatile 关键字不就是防止编译器优化的吗&#xff1f;有啥好详细讲解的&#xff1…
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清除pip安装库时的缓存

清除pip安装库时的缓存

目录 1、命令清除缓存 2、路径手动清除 在使用pip安装Python库时&#xff0c;如果之前已经下载过该库&#xff0c;pip会默认使用缓存来安装库&#xff0c;而不是重新从网络上下载。缓存文件通常存储在用户目录下的缓存文件夹中&#xff0c;具体位置因操作系统和Python版本而异…
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