Linux学习笔记之六（进程之间的管道通信和信号处理）

1、管道通信

管道通信是一个设备中进程与进程之间通信的一种方式，分为无名管道和有名管道两种。前者只能用于有亲缘关系的进程之间的通信，如父子进程等，后者则没有亲缘限制。此外，管道通信从根本上还是通过内核的一种半双工的通信方式。

1.1、无名管道

无名管道又称匿名管道，即通信双方无需知道对方的pid号，仅通过一些管道提供的描述符便可往管道缓冲区读写数据。在具体使用上，管道应比子进程更先被创建，因为而后被创建的子进程会拷贝父进程的地址空间，从而保证父子进程使用的是同一条管道。当然，管道通信并不限制进程数量。
pipe( )是创建无名管道的一个重要函数，我们可以查看其函数说明：

man 2 pipe

在这里插入图片描述

int pipefd[2]：该数组是用于存放从pipe()取出的管道描述符。其中，pipefd[0]是读取数据的描述符，pipefd[1]是写入数据的描述符。
int flags：不常用，不说。
返回值：成功返回0，反之返回-1。

再看个例子便知道怎么用了：
该例子完成的任务：父进程从终端中读取用户输入的字符并写入管道，然后子进程从管道中读取数据之后将字符一个个打印到终端中来。
注意的点：管道读取是一种阻塞式读取，即如果某一进程想从本没有数据的管道中读取数据，就会一直阻塞在那里，等到有数据进入管道缓冲区。并且这种阻塞只发生在最开始的时候，如果中途管道没有数据了，它还是可以正常读取，只不过返回值是0.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
        int pipe_fd[2];
        char buf;
        if(argc != 2)
        {
                printf("Usage :%s <string>\n", argv[0]);
                return -1
        }    
        pipe(pipe_fd);			//create a pipe
        pid_t cpid = fork();	//create a child process	
        if(cpid == 0)           //enter the child process
        {
                close(pipe_fd[1]);
                while(read(pipe_fd[0], &buf, 1)) 
                        write(1, &buf, 1);
                printf("\n");
                close(pipe_fd[0]);
                _exit(0);       //recommend to use the _exit() to exit in the child process
        }
        else                    //enter the parent process
        {
                close(pipe_fd[0]);
                write(pipe_fd[1], argv[1], strlen(argv[1]));
                close(pipe_fd[1]);
                wait(NULL);     //waiting for his child to  exit
                exit(0);
        }
        return 0;
}

1.1、有名管道

有名管道相较于无名管道，可以用于无亲缘关系进程之间的通信。并且它的逻辑也更为清晰，使用的时候，我们可以在文件夹中创造一个管道文件，然后其他进程便可往这个管道文件读写数据，最终实现进程通信的目的。
下面看看具体操作步骤：
第一步，在文件夹中创建一个管道文件（以test_pipe为例）。

mkfifo test_pipe

在这里插入图片描述
除了在终端中创建一个FIFO文件夹，我们还可以在程序中创建文件夹。同样是用mkfifo函数，参考

man 3 mkfifo

第二步，创建一个进程往test_pipe写入数据。

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

int main()
{
    int fd = open("./test_pipe", O_WRONLY);		//open the pipe file
    write(fd, "hello", 5);						//write something into the file
    close(fd);									//close the file, don't forget!
    
    return 0;
}

第三步，创建一个新的进程往test_pipe写入数据。

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

int main()
{  
    int fd = open("./test_pipe", O_WRONLY); 
    if(fd == -1)
    {
        printf("an error occured opening the pipe file\n");
        return -1;
    }
    while(1)
    {
        write(fd, "hello!", 6);
        printf("writing successfully!\n");
        sleep(1);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

第四步，创建一个新的进程从test_pipe读出数据。注意在读取操作的时候要考虑读取延时问题，y因为如果读的速度比写的速度还慢，那可能会读到的不仅仅是这一次写入的数据，还可以能拼接一些上一次的数据。

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

int main()
{
    int fd = open("./test_pipe", O_RDONLY);
    char buf[6];
    while(1)
    {
        //sleep(1);
        read(fd, buf, 6);
        printf("what i read is: %s\n", buf);
        memset(buf, 0 ,sizeof(buf));			//clear the buf       
    }
    
    close(fd);
    return 0;
}

通过以上步骤便可以实现两个没有亲缘关系之间的通信了。但在我学习过程中，还遇到很多问题，这也一一列举出来吧。
第一，有名管道的通信是读写阻塞的，但它阻塞不是阻塞在read和write函数上，而是阻塞在open函数上。这似乎意味着，有名管道的通信始于两个进程同时访问该管道。
第二，当写进程终止之后，读进程还是可以继续运行，只是读出的数据是“空”而已。但如果读进程终止，写进程也会跟着终止。个人感觉问题出现在write函数上，即write函数检测到没有进程读数据，它就会停止，我写了程序验证了一下也大抵如此。

2、信号处理

2.1、信号的种类和发送

信号的发送最常用的是kill()函数，kill即可以在终端直接使用，也可以在代码里以函数的形式使用。我们先看看发送的信号的种类吧。
在这里插入图片描述
总共有64种信号，一般常用的就几个，其他需要的时候再去网上查就行了。如果我们想在终端中使用命令kill某一个进程，可以按以下操作来。

kill -<number> <pid>

比如我这里kill了一个叫test的进程。
在这里插入图片描述
接下来看看kill怎么在程序中使用，在此之前可以看一下它的官方文档(man 2 kill)，在这里我就直接提取它的函数原型出来。

int kill(pid_t pid, int sig);

pid_t pid：指目标进程的pid号，其实就是你要把信号发给哪个进程。
int sig：你要发的是几号信号。
返回值：成功返回0，失败返回-1。

在函数中的使用方法也十分简单，下面以杀死pid号为3234的进程为例。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>


int main()
{
		//if you wanna kill yourself, you can use kill(getpid(), 9);
       int flag = kill(3234, 9);
       if(flag < 0){
               printf("kill error!");
       }
       return 0;
}

除了kill()函数可以用来发送信号，alarm(), raise()等函数也可以。
其中：

raise(sig);  <==> kill(getpid(), sig);

而alarm函数的原型是：

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

使用方法也很简单，该函数的输入参数是N秒。当一个进程调用这个函数N秒之后，该进程就会收一个SIGALAM的信号，该信号可以终止进程。

2.2、信号的接受和处理

进程信号接受的根本要求肯定是该进程还存在，一般而言保证进程存在有三种方式：

采用sleep()函数让进程进入睡眠，但睡眠状态并不是永远的，它有一个输入参数来限制睡眠的时间。比如睡眠三秒：sleep(3);
采用pause()函数让进程进入睡眠状态，进入睡眠状态之后，无论你对进程进行任何操作，进程都会退出睡眠状态。
利用while循环让进程一直处于运行状态。

在进程存在的前提下便可以考虑进程对于信号的处理方式了，处理方式也是有三种，分别是忽略(SIG_IGN)，默认(SIG-DFL)和捕获。而信号的处理一般用signal()函数，下面我们来看看它的函数原型：

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

int signum：处理的信号的编码/种类，除了该信号，其他信号一概忽略。
sighandler_t handler：当接受到该信号的时候，处理的方式是什么（默认、忽略还是捕获）。
返回值：成功则返回被处理信号的编号，失败则返回SIG_ERR。

看个例子吧。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>

void t_function(int sig);

int main()
{
    signal(SIGINT, t_function);
    while(1);                //keep this process running.
    return 0;
}

void t_function(int sig)
{
    printf("capture successfully!\n");
}