【Linux】从零开始认识进程间通信 —— 管道

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送给大家一句话：
人要成长，必有原因，背后的努力与积累一定数倍于普通人。所以，关键还在于自己。 – 杨绛

从零开始认识进程间通信

  • 1 为什么要进程间通信
  • 2 进程如何通信
  • 3 进程通信的常见方式
  • 4 管道
    • 4.1 什么是管道
    • 4.2 管道通信的系统调用
    • 4.3 小试牛刀
  • 5 总结
  • Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！
  • 下一篇文章见！！！

1 为什么要进程间通信

以前我们学习的过程中，进程是具有独立性的。但有些时候需要多个进程进行协同，这时候就需要进程间的通信来保证信息的互通。

就比如学校就分有教务处 ， 学生处，教研组，班主任等部分。如果学校想要组织一场考试，就通知教务处安排好考场和监考员，告诉教研组老师需要出卷子，等教务处与教研组完成对应工作再告知学生处和班主任，然后通知学生进行考试，班主任和学生处做好考试监督工作。

这里面就少不了沟通交流，传递信息。进程工作也是这样：进程的协同工作需要一个前提提交——通信。通信就是传递数据，控制相关信息

2 进程如何通信

首先 ， 我们知道进程是具有独立性的，一个进程的状态不会影响其他进程的运行。而独立性的本质是进程 = 内核数据结构 + 代码和数据 ，内核数据结构PCB是独立的，代码和数据是独立的 ， 进程自然就是独立的。

所以，进程间通信的成本的成本稍微高一些，因为进程本身是独立的，两个进程天然是无法进行数据共享的！

可是子进程建立的时候不是会拷贝（继承）一份父进程的数据吗，这不是进行通信吗？？？
这就要我们明确区分两个概念：能通信与可以一直通信是不一样的。子进程继承的父进程数据是只读的，而且只进行一次。而一直通信是时不时就“打个电话”。

所以进程间通信的前提是：先让不同的进程看到同一份（操作系统）资源（“一段内存”）。

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  1. 首先，一定是某一个进程先需要通信，让OS创建一个共享资源
  2. 那么OS必须通过对应的系统调用来创建共享资源
  3. OS创建的共享资源的不同 ， 系统调用接口的不同----就导致进程间通信会有不同的种类

3 进程通信的常见方式

一般通信有以下种类：

  1. 管道
    • 匿名管道pipe
    • 命名管道
  2. System V IPC 标准 （早期的本地通信）
    • System V 消息队列
    • System V 共享内存
    • System V 信号量
  3. POSIX IPC 标准（现代版本）
    • 消息队列
    • 共享内存
    • 信号量
    • 互斥量
    • 条件变量
    • 读写锁

今天来讲解管道

早期的时候，程序员们面对通信的需求时，不想再单独设计一个通信模块，直接复用内核级代码，就产生了管道！！！管道分为命名管道和匿名管道。

4 管道

4.1 什么是管道

【Linux】 拿下 系统 基础文件操作！！！
【Linux】开始了解重定向

这两篇文章了我们讲解了文件的底层，知道每一个进程都有对应的文件管理结构体，文件管理结构体中有管理已经打开文件的数组。数组下标为文件描述符，指向文件结构体，而文件结构体又会指向文件真正属性inode。
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当我们以不同方式打开文件时，只需要在内存中加载一份数据（通过引用计数来管理），以读写方式打开，便会有两个对应的文件结构体。他们共同使用一份代数据，那自然就使用同一个内核级缓冲区。

那么为了要通信，不用在写一个新的模块，直接建立一个子进程来通信多简单。子进程会以父进程为模版进行写时拷贝。
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进行拷贝的只有进程对应的结构体，因为进程具有独立性，而文件系统我们可没提过什么对立性，所以文件管理数组进行浅拷贝，同样指向原先的文件结构体。

这时也就理解为什么父子进程会向同一块显示器终端打印数据了。

也理解为什么进程会默认打开012三个标准输入输出：因为所有进程都是bash的子进程，而bash打开了这三个文件，所以自然就打开了！！！

子进程要主动close（0 / 1 /2）不影响父进程继续使用显示器文件！只有引用计数（类似硬链接数）归零才会清理数据

今天我们进行进程间通信的前提——先让不同的进程看到同一份（操作系统）资源，不就解决了吗！！！

文件的内存缓冲区不就是两个进程共享的一份资源吗！而所谓的管道文件就是这个文件缓冲区！

但是呢，管道只允许进行单向通信（父->子 或 子->父），因为管道如果允许父子进程都可以写，就会导致数据紊乱！进行通信的时候，每个进程关闭不需要的文件描述符，然后通过缓冲区来单向通信。一个进程把信息写入缓冲区，另一个进程从缓冲区读取数据，不需要刷新到硬盘，直接从内存进行操作！

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有个问题：父子既然要关闭不需要的fd那为什么曾经还要打开呢？可以不关闭吗？
如果父进程只打开读写的fd,那么子进程也就只能继承读写的fd,这就坏事了，总得有人写入吧！那为什么不直接以读写方式打开一个fd呢？这样肯定不可以，子进程继承后也具有读写，也坏事了！
所以不关闭是为了让子进程可以继承下去，到时候关闭不需要的就可以了！当然也可以不关闭，只要你不乱使用，所以为了排除风险，建议直接关闭

4.2 管道通信的系统调用

了解了管道是什么，我们就来看看关于管道的系统调用是什么吧？
通过手册我们可以看到：

PIPE(2)                                                             Linux Programmer's Manual                                                            PIPE(2)

NAME
       pipe, pipe2 - create pipe

SYNOPSIS
       #include <unistd.h>

       /* On Alpha, IA-64, MIPS, SuperH, and SPARC/SPARC64; see NOTES */
       struct fd_pair {
           long fd[2];
       };
       struct fd_pair pipe();

       /* On all other architectures */
       int pipe(int pipefd[2]);

       #define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
       #include <fcntl.h>              /* Obtain O_* constant definitions */
       #include <unistd.h>

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

新的pipe(int pipefd[2]) 是今天的主角（Ubuntu提供了新的选择pipe2），其实底层就是open。

pipefd[2] 这是一个输出型参数，把以读方式打开的文件描述符rfd和以写方式打开的文件描述符wfd记录下来！

和open不同的是，这个系统调用不需要文件路径和文件名，所以才叫匿名管道！

那么如果我们想要双向通信呢？？？
干脆建两个管道不就行了!

那为什么要进行单向通信呢？
因为这个管道的单向通信简单，对代码的复用率很高！

4.3 小试牛刀

接下来我们就来写一个demo，来试试管道接口。

首先我们来搭建一个框架：

  1. 建立一个管道，得到对应的文件描述符
  2. 创建子进程，关闭对应文件
  3. 我们进行子进程写入，父进程读取
  4. 等待子进程退出，避免僵尸进程出现！
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
#include<sys/wait.h>
#include<cerrno>

using namespace std;

void SubProcessWrite(int wfd)
{
}
void FatherProcessRead(int rfd)
{
}
int main()
{
    //创建管道
    int pipefd[2];//[0] -> r | [1] -> w
    int n = pipe(pipefd);
    if(n != 0)
    {
        perror("创建管道错误!\n");
    }
    cout << "pipefd[0] : " << pipefd[0] << " pipefd[1] :" << pipefd[1] << endl;
    //创建子进程
    //关闭对应文件
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        //子进程 -- write
        close(pipefd[0]);

        SubProcessWrite(pipefd[1]);
        //使用完都关闭
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }
    //父进程 -- read
    close(pipefd[1]);
    FatherProcessRead(pipefd[0]);
    //使用完都关闭
    close(pipefd[0]);
    pid_t rid = waitpid(id ,nullptr , 0 );
    if(rid > 0)
    {
        cout << "wait child process done!" << endl;
    }
    return 0;
}

管道本质也是文件，我们读写同样使用write和read。
我们完善一下代码：

  1. 子进程每隔一秒写入一次数据
  2. 父进程每隔一秒读取一次数据
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
#include<string>
#include<sys/wait.h>
#include<cerrno>

using namespace std;

string GetOtherMessage()
{
    static int cnt = 0;
    string messageid = to_string(cnt);
    cnt++;
    pid_t self_id = getpid();
    string stringid = std::to_string(self_id);

    string message = "messageid : ";
    message += messageid;
    message += "my pid :";
    message += stringid;

    return message;
}

void SubProcessWrite(int wfd)
{
    string messages = "father,I am your soon process !";
    while (true)
    {
        string info = messages + GetOtherMessage();
        //写入管道时没有写入'\0'，没有必要。在读取时添加
        write(wfd , info.c_str() , info.size());
        sleep(1);
    }
    
}
#define size 1024

void FatherProcessRead(int rfd)
{
    char inbuffer[size];
    while (true)
    {
    	//注意传入的参数 ， 读取 rfd 内的数据到inbuffer中,返回成功读取的个数。
        ssize_t n = read(rfd , inbuffer , sizeof(inbuffer) - 1);
        if( n > 0 ) 
        {
            inbuffer[n] = '\0';//添加'\0'
            cout << "father get message: " << inbuffer << endl;
        }

    }
}
int main()
{
    //创建管道
    int pipefd[2];//[0] -> r | [1] -> w
    int n = pipe(pipefd);
    if(n != 0)
    {
        perror("创建管道错误!\n");
    }
    cout << "pipefd[0] : " << pipefd[0] << " pipefd[1] :" << pipefd[1] << endl;
    sleep(1);
    //创建子进程
    //关闭对应文件
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        cout << "子进程关闭不需要的fd , 准备开始发消息" << endl;
        sleep(1);
        //子进程 -- write
        close(pipefd[0]);
        SubProcessWrite(pipefd[1]);
        //使用完都关闭
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }
    cout << "子进程关闭不需要的fd , 准备开始接收消息" << endl;
    sleep(1);
    //父进程 -- read
    close(pipefd[1]);
    FatherProcessRead(pipefd[0]);
    //使用完都关闭
    close(pipefd[0]);
    pid_t rid = waitpid(id ,nullptr , 0 );
    if(rid > 0)
    {
        cout << "wait child process done!" << endl;
    }
    return 0;
}

运行看看：
在这里插入图片描述
这样验证管道通信的可行性。

5 总结

管道的4种情况

  1. 如果管道内部是空的 && write fd没有关闭：
    读取条件不具备，读取进程会被阻塞 – wait 等待条件具备（写入了数据）
  2. 管道别写满 && read fd 不读且没有关闭 ：
    管道被写满，写进程会被阻塞，写条件不具备-- wait 等待条件具备（读取走一部分数据才能继续写）
  3. 管道一直在被读 && 写端关闭了wfd：
    读端read的返回值会读到 0 ，表示到了文件结尾！！！所以可以在读取的时候进行一下判断，为0就直接退出读取！
  4. rfd 直接关闭 ， 写端wfd一直在写入：
    首先管道只有一对读写端，读端被关闭了，那么管道就不能称之为管道了。OS系统也不会做这样的无用功，直接把broken pipe坏的管道 进行杀掉！会发送对应的13号信号SIGPIPE:
    在这里插入图片描述

我们可以总结出管道的5 种特征：

  1. 匿名管道：只用来进行父子进程之间，因为他们可以看到同一资源
  2. 同步性：管道内部自带进程之间的同步机制！同步是多执行流代码的时候，具有明显的顺序性。父子进程的读写一定要同步进行，不然可能会出现并发读取的情况，出现错误！
  3. 文件的生命周期是随进程的：当一个文件没有进程调用的时候，就会释放掉！
  4. 管道在通信的时候，是面向字节流的：write 的次数和read的次数不是一一匹配的！
    我们让子进程疯狂的写，父进程也一直读。子进程每 1 s写一次，写入时也向标准错误里进行打印（为了好观察）。父进程每5s读一次，并打印到显示器：
    在这里插入图片描述
    可以看到，右侧的子进程，左边是父进程。子进程写入好几次的数据，会被父进程一次读取一大批！！！
  5. 管道的通信模式，是一种特殊的半双工模式：与之对应的是全双工模式，即双方交流可以同时说话。半双工是只能一方说话，一方聆听，不能同时说（对讲机模式）。

这里提一个概念，在管道读写是"原子"的，每个"原子"是 4096 bytes。只有小于这个大小，就不会在读写时被其他人影响。如果大于一个原子的大小，就不能保证安全了。

下一篇文章我们进行管道的实战——进程池项目！

Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！

下一篇文章见！！！

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