【Linux】进程间通信之管道

【Linux】进程间通信之管道

  • 进程间通信
    • 进程间通信目的
    • 进程间通信的方式
  • 管道（内核维护的缓冲区）
    • 匿名管道（用于父子间进程间通信）
      • 简单使用
      • 阻塞状态读写特征
      • 非阻塞状态读写特征
    • 匿名管道特点
    • 命名管道
  • 匿名管道与命名管道的区别

进程间通信

进程之间具有独立性，进程间通信必定需要一块公共的区域用来作为信息的存放点，操作系统需要直接的或间接给通信进程双方提供内存空间。
如果内存空间是文件系统提供的，那么就是管道通信
如果OS提供的就是共享内存
通信的本质就是让不同的进程看到同一份内存空间

进程间通信目的

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）

进程间通信的方式

管道： 匿名管道命名管道
System V：System V 消息队列；System V 共享内存；System V 信号量
POSIX：消息队列；共享内存；信号量；互斥量；条件变量；读写锁

管道（内核维护的缓冲区）

管道是基于文件系统的通信方式

任何一个文件包括两套资源：
1.file的操作方法
2.有属于自己的内核缓冲区，所以父进程和子进程有一份公共的资源：文件系统提供的内核缓冲区，父进程可以向对应的文件的文件缓冲区写入，子进程可以通过文件缓冲区读取，此时就完成了进程间通信，这种方式提供的文件称为管道文件。管道文件本质就是内存级文件，不需要IO。

匿名管道（用于父子间进程间通信）

通过父进程fork创建子进程，让子进程拷贝父进程中的文件描述符表，两个进程便能看到同一个管道文件，这个管道文件是一个内存级文件，并没有名字，所以被称为匿名管道
在这里插入图片描述

匿名管道中，父子进程必须关闭一个文件描述符，形成单向通信

简单使用

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
成功时返回零，错误时返回 -1

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <cstring>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;
//父进程进行读取，子进程负责写入
int main()
{
    //第一步：创建管道文件，打开读写端
    //fds[0]读   fds[1]写
    int fds[2];
    int n=pipe(fds);
    assert(n==0);

    //fork
    pid_t id=fork();
    assert(id>=0);
    if(id==0)
    {
        //子进程写入，先关闭读
        close(fds[0]);

        //子进程通信代码
        const char* s="我是子进程，我正在给你发信息";
        int cnt=0;
        while (true)
        {
            cnt++;
            char buffer[1024];//只有子进程能访问
            //格式化写入
            snprintf(buffer,sizeof(buffer),"chile->parent say: %s[%d][%d]",s,cnt,getpid());
            //子进程向【fd[1]】不断写，父进程【fd[0]】延迟读，导致写阻塞
            write(fds[1],buffer,strlen(buffer));

            //cout<<"count"<<cnt<<endl;
            //sleep(5);//延迟写，父进程read阻塞

            //break;//写一次直接关闭读端，读端read返回0,

        }
        //出来还是子进程
        close(fds[1]);//子进程关闭写端fd
        cout<<"子进程关闭了自己的写端"<<endl;
        exit(0);
        
    }

    //父进程读取
    close(fds[1]);
    //父进程通信代码
    while(true)
    {
        //sleep(3000);//写端不断写，读端延迟读，写端阻塞
        //sleep(2);//写端不断写，读端缓读，数据积累在一起被读出
        char buffer[1024];

        //如果管道中没有数据，读端在读，默认阻塞当前读进程由R->S状态
        //cout<<"parent_read_begin..."<<endl;
        ssize_t s= read(fds[0],buffer,sizeof(buffer)-1);//阻塞式调用
        //cout<<"parent_read_end..."<<endl;

        if(s>0)
        {
            buffer[s]=0;
            cout<<"父进程读到了# "<<buffer<<" | my_pid: "<<getpid()<<endl;
        }
        else if(s==0)
        {
            //读到了文件末尾
            cout<<"read: over "<<s<<endl;
            break;
        }
        break;//读一次直接退出，父进程准备关闭读端，os会发送信号杀掉写进程
    }
    //读未关闭
    // n=waitpid(id,nullptr,0);
    // assert(n==id);
    // close(fds[0]);



    //关闭读端，程序无效
    close(fds[0]);
    cout<<"父进程关闭写端"<<endl;
    int status=0;
    n=waitpid(id,&status,0);

    获取进程终止信号
    cout<<"waitpid->"<<n<<" : "<<(status&0x7f)<<endl;

    
    return 0;
}

阻塞状态读写特征

1）如果管道中没有数据，读取端进程再进行读取，会阻塞当前正在读取的进程

2）如果写入端写满了，再写就会对该进程进行阻塞，需要等待对方对管道内数据进行读取

3）如果写入进程关闭了写入fd，读取端将管道内的数据读完后read的返回值为0，正常退出

4）如果读关闭，写就没有意义了，操作系统会给写端发送13号信号SIGPIPE，终止写端。（信号参考）

非阻塞状态读写特征

创建的匿名管道默认是阻塞状态的，如果要设置成非阻塞状态，需要使用fcntl
第一种：写设置为非阻塞
1）读端不关闭，写端一直写，写满之后，wirte会返回-1，报错当前资源不可用
2）读端直接关掉，写端一直在写，当前进程会收到SIGPIPE信号，写端的程序直接被杀死，这种现象叫做管道破裂
第二种：读设置为非阻塞
1）写端不关闭，读端一直读，read调用返回-1，errno为EAGAIN
2）写端关闭，读端进行读，read是正常调用返回0，表示没有读到

匿名管道特点

1）只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信；通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父、子进程之间就可应用该管道；

2）管道提供流式服务 ；

3）进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程

4）内核会对管道操作进行同步与互斥

5）管道是半双工。需要双方通信时，需要建立起两个管道
6）管道的大小是64K(65536)
7）创建匿名管道返回的文件描述符属性默认是阻塞的

命名管道

上面说到，匿名管道只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信，两个不相关的进程如果要通信，需要借助命名管道

创建命名管道

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
pathname：命名管道文件所在路径
mode：文件权限

删除命名管道

#include <unistd.h>
int unlink(const char *path);

命名管道可用于无血缘关系的进程间通信，两个进程均打开同一路径下的同名文件（看到同一份资源）；命名管道也是一个内存级文件

comm.hpp（提供命名管道的创建和销毁方法）

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#define NAMED_PIPE "./myname_pipe"

bool CreateFifo(const std::string &path)
{
    umask(0);
    int n=mkfifo(path.c_str(),0600);
    if(n==0)
        return true;
    else
    {
        std::cout<<"errno: "<< errno <<"err string: "<<strerror(errno)<<std::endl;
        return false; 
    }    
}

void removeFifo(const std::string &path)
{
    int n=unlink(path.c_str());
    assert(n==0);
    std::cout<<"removeFifo success ...."<<std::endl;

    (void)n;//避免爆出waring：未引用的变量n
}

server.cc（读端，先运行）

#include "comm.hpp"

int main()
{
    bool r=CreateFifo(NAMED_PIPE);
    assert(r);
    (void)r;
    //先运行此文件，会在open时阻塞
    //管道文件要求读写都要打开文件才能执行后面的功能
    std::cout<< "server begin" <<std::endl;
    int rfd=open(NAMED_PIPE,O_RDONLY);
    std::cout<< "server end" <<std::endl;
    if(rfd<0) exit(1);

    //read
    char buffer[1024];
    while (true)
    {
        ssize_t s=read(rfd,buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(s>0)
        {
            buffer[s]=0;
            std::cout<<"cilent ->server# "<<buffer<<std::endl;
        }
        else if(s==0)
        {
            std::cout<<"cilent quit,me tool "<<std::endl;
            break;
        }
        else
        {
            std::cout<<"err string: "<<strerror(errno)<<std::endl;
            break;
        }
    }
    close(rfd);
    sleep(10);
    removeFifo(NAMED_PIPE);
    return 0;
    
}

client.c（写端）

#include "comm.hpp"

int main()
{
    //如果先运行此文件，由于文件还未创建，无法写入
    std::cout << "client begin" << std::endl;
    int wfd=open(NAMED_PIPE,O_WRONLY);
    std::cout<< "client end" <<std::endl;
    if(wfd<0) exit(1);

    //write
    char buffer[1024];
    while (true)
    {
        std::cout<<"Please Say#";
        fgets(buffer,sizeof buffer,stdin);
        if(strlen(buffer)>0)
            buffer[strlen(buffer)-1]=0;
        ssize_t n=write(wfd,buffer,strlen(buffer));
        assert(n==strlen(buffer));
        (void)n;    
    }
    close(wfd);
    return 0;
    
}

匿名管道与命名管道的区别

1）匿名管道由pipe函数创建并打开。
2）命名管道由mkfifo函数创建，打开用open
3）FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义

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