【Linux】IPC 进程间通信(一):管道(匿名管道命名管道)

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1. 初识进程间通信 🚀

1.1 进程间通信的目的

  1. 数据传输:一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
  2. 资源共享:多个进程之间共享同样的资源
  3. 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)
  4. 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),此时控制进程希望能够拦截另 一个进程的所有陷入和异常,并能够及时知道它的状态改变

1.2 为什么要有进程间通信 ❓

为了实现两个或者多个进程实现数据层面的交互,因为进程独立性的存在,导致进程通信的成本比较高

很多场景下需要多个进程协同工作来完成要求。如下:

  •  这条命令首先使用 cat  读取 log.txt 的内容,然后通过管道 (|) 将输出传递给 grep 命令。grep 用于搜索指定的字符串。
  • grep Hello 这个命令搜索包含 "Hello" 的行。

1.3 进程间通信的方式

管道(通过文件系统通信

  • 匿名管道pipe
  • 命名管道 

System V IPC (聚焦在本地通信

  • System V 消息队列
  • System V 共享内存
  • System V 信号量 

POSIX IPC (让通信可以跨主机

  • 消息队列
  • 共享内存
  • 信号量
  • 互斥量
  • 条件变量
  • 读写锁 

注意:

  •  System V 标准需要重新构建操作系统代码来实现进程通信,比较繁琐。
  • 在 System V 标准出现之前,而「管道通信」是直接复用现有操作系统的代码
  • 现在本地通信已经被网络通信取代,所以进程间通信方式只重点介绍管道通信和共享内存通信

知识补充:

(1)进程间通信的本质:必须让不同的进程看到同一份“资源”(资源:特定形式的内存空间)

(2)这个资源谁提供?一般是操作系统

  • 为什么不是我们两个进程中的一个呢?假设一个进程提供,这个资源属于谁?
  • 这个进程独有,破坏进程独立性,所以要借用第三方空间

(3)我们进程访问这个空间,进行通信,本质就是访问操作系统!

  • 进程代表的就是用户,资源从创建,使用(一般),释放--系统调用接口!

2. 匿名管道 🔍

 2.1 什么是管道

进程可以通过 读/写 的方式打开同一个文件,操作系统会创建两个不同的文件对象 file,但是文件对象 file 中的内核级缓冲区、操作方法集合等并不会额外创建,而是一个文件的文件对象的内核级缓冲区、操作方法集合等通过指针直接指向另一个文件的内核级缓冲区、操作方法集合等。

  • 这样以读方式打开的文件和以写方式打开的文件共用一个 内核级缓冲区

  • 进程通信的前提是不同进程看到同一份共享资源

所以根据上述原理,父子进程可以看到同一份共享资源:被打开文件的内核级缓冲区。父进程向被打开文件的内核级缓冲区写入,子进程从被打开文件的内核级缓冲区读取,这样就实现了进程通信!

  • 这里也将被打开文件的内核级缓冲区称为 管道文件」,而这种由文件系统提供公共资源的进程间通信,就叫做「 管道 

注意:

此外,管道通信只支持单向通信,即只允许父进程传输数据给子进程,或者子进程传输数据给父进程。

  • 当父进程要传输数据给子进程时,就可以只使用以写方式打开的文件的管道文件,关闭以读方式打开的文件,
  • 同样的,子进程只是用以读方式打开的文件的管道文件,关闭掉以写方式打开的文件。
  • 父进程向以写方式打开的文件的管道文件写入,子进程再从以读方式打开的文件的管道文件读取,从而实现管道通信。如果是要子进程向父进程传输数据,同理即可。

管道特点总结:

  • 个进程将同一个文件打开两次,一次以写方式打开,另一次以读方式打开。此时会创建两个struct file,而文件的属性会共用,不会额外创建
  • 如果此时又创建了子进程,子进程会继承父进程的文件描述符表,指向同一个文件,把父子进程都看到的文件,叫管道文件
  • 管道只允许单向通信

  • 管道里的内容不需要刷新到磁盘

2.2 创建匿名管道

匿名管道:没有名字的文件(struct file)

匿名管道用于父子间通信,或者由一个父创建的兄弟进程(必须有“血缘“)之间进行通信

#include <unistd.h>
原型:int pipe(int fd[2]);

功能:创建匿名管道
参数 fd:文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值:成功返回0,失败返回错误代码

使用如下:

  • int main()
    {
        // 1. 创建管道
        int fds[2] = {0};
        int n = pipe(fds); // fds: 输出型参数
        if(n != 0){
            std::cerr << "pipe error" << std::endl;
            return 1;
        }
    
        std::cout << "fds[0]: " << fds[0] << std::endl;
        std::cout << "fds[1]: " << fds[1] << std::endl;
        return 0;
    }
    
    // 运行如下:
    island@VM-8-10-ubuntu:~/code$ ./code
    fds[0]: 3
    fds[1]: 4
  • 输出型参数:文件的描述符数字带出来,让用户使用-->3,4,因为0,1,2分别被stdin,stdout,stderr占用。

2.3 匿名管道通信案例(父子通信)

情况一:管道为空 && 管道正常(read 会阻塞【read 是一个系统调用】)

具体代码演示如下:(子进程写入,父进程读取)

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <cstdlib>

// 父进程 -- 读取
// 子进程 -- 写入
void write(std::string &info, int cnt)
{
    info += std::to_string(getpid());
    info += ", cnt: ";
    info += std::to_string(cnt);
    info += ')';
}


int main()
{
    // 1. 创建管道
    int fds[2] = {0};
    int n = pipe(fds); // fds: 输出型参数
    if (n != 0)
    {
        std::cerr << "pipe error" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 2. 创建子进程
    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
    {
        std::cerr << "fork error" << std::endl;
        return 2;
    }
    else if (id == 0)
    {
        // 子进程
        // 3. 关闭不需要的 fd, 关闭 read
        int cnt = 0;
        while (true)
        {
            close(fds[0]);
            std::string message = "(IsLand1314, pid: ";
            write(message, cnt);
            cnt++;
            sleep(2);
        }
        exit(0);
    }
    else
    {
        // 父进程
        // 3. 关闭不需要的 fd, 关闭 write
        close(fds[1]);
        char buffer[1024];
        while(true)
        {
            ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);
            if(n > 0)
            {
                buffer[n] = 0;
                std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;
            }
        }

        // 记录退出信息
        pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);
        std::cout << "father wait chile success" << rid << std::endl;
    }

    return 0;
}

子进程每隔 2 s 向父进程写入数据,并且打印,如下:

从上面可以知道:

  1. 子进程写入的信息是变化的信息
  2. 父进程打印信息的时间间隔和子进程一样,那么子进程没传入信息的时候,父进程处于阻塞 --> (IPC 本质:先让不同的进程,看到同一份资源,可以保护共享资源)
情况二:管道为满 && 管道正常(write 会阻塞【write 是一个系统调用】)

如下对代码做点修改(红框内的代码)

管道有上限,Ubuntu -> 64 KB

如果我们让父进程正常读取,那么结果又是怎样的呢?

运行如下:

当我们到 65536 个字节时,管道已满,父进程读取了管道数据,子进程会继续进行写入,然后进行继续读取,就有点数据溢出的感觉

情况三:管道写端关闭 && 读端继续(读端读到0,表示读到文件结尾)

代码修改如下:

else if (id == 0)
{
    int cnt = 0, total = 0;
    while (true)
    {
        close(fds[0]);
        std::string message = "h";
        // fds[1]
        total += ::write(fds[1], message.c_str(), message.size());
        cnt++;
        std::cout << "total: " << total << std::endl; // 最后写到 65536 个字节

        sleep(2);
        break; // 写端关闭
    }
    exit(0);
}
else
{
    // 父进程
    // 3. 关闭不需要的 fd, 关闭 write
    close(fds[1]);

    char buffer[1024];
    while (true) {
        sleep(1);
        ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);
        if (n > 0) {
            buffer[n] = 0;
            std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;
        }
        else if (n == 0) {
            std::cout << "n: " << n << std::endl;
            std::cout << "child quit??? me too " << std::endl;
            break;
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);
    std::cout << "father wait chile success" << rid << std::endl;
}

运行如下:

结论:如果写端关闭,读端读完管道内部数据,再读取就会读取到返回值 0,表示对端关闭,也表示读到文件结尾

情况四:管道写端正常 && 读端关闭(OS 会直接杀掉写入进程)

情况二:

如何杀死呢?

a. OS 会给 目标进程发送信号:13) SIGPIPE

b. 证明如下;

else if (id == 0)
{
    int cnt = 0, total = 0;
    while (true)
    {
        close(fds[0]);
        std::string message = "h";
        // fds[1]
        total += ::write(fds[1], message.c_str(), message.size());
        cnt++;
        std::cout << "total: " << total << std::endl; // 最后写到 65536 个字节
        sleep(2);
    }
    exit(0);
}
else
{
    close(fds[1]);

    char buffer[1024];
    while (true)
    {
        sleep(1);
        ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);
        if (n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;
        }
        else if (n == 0)
        {
            std::cout << "n: " << n << std::endl;
            std::cout << "child quit??? me too " << std::endl;
            break;
        }
        close(fds[0]); // 读端关闭
        break;
        std::cout << std::endl;
    }

    // 记录退出信息
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
    std::cout << "father wait chile success: " << rid << " exit code: " <<
        ((status << 8) & 0xFF) << ", exit sig: " << (status & 0x7F) << std::endl;
}

运行如下:

小结

🦋 管道读写规则

  • 当没有数据可读时
    • read 调用阻塞,即进程暂停执行,一直阻塞等待
    • read 调用返回-1,errno值为EAGAIN。
  • 当管道满的时候
    • write 调用阻塞,直到有进程读走数据
    • 调用返回-1,errno值为 EAGAIN
  • 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭,则read返回0
  • 如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭,则write操作会产生信号

2.4 匿名管道特性

  1. 匿名管道:只用来进行具有血缘关系的进程之间,进行通信,常用于父子进程之间通信

  2. 管道文件的生命周期是随进程的

  3. 管道内部,自带进程之间同步的机制(多执行流执行代码的时候,具有明显的顺序性)

  4. 管道文件在通信的时候,是面向字节流的。(写的次数和读取的次数不是一一匹配的)

  5. 管道的通信模式,是一种特殊的半双工模式,数据只能向一个方向流动;需要双方通信时,需要建立起两个管道

3. 管道通信的场景 - 进程池 💦

  1. 父进程创建多个子进程,并为每个子进程创建一个管道文件,父进程为写端,子进程为读端。父进程给子进程通过管道传输任务,这就是进程池。
  2. 如果父进程没有给子进程传输任务,即管道文件中没有数据,根据进程通信情况1,读端即子进程会阻塞等待父进程传输任务。
  3. 此外父进程还要给子进程平衡任务,不能让某个进程特别繁忙,其他进程没有任务可做。这就是负载均衡。

进程池 -- 源码实现

后面我会写一篇博客专门来讲这个,敬请期待

4. 命名管道 🦌

4.1 介绍

  • 匿名管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先(具有亲缘关系)的进程间通信。
  • 如果我们想在不相关的进程之间交换数据,可以使用FIFO文件来做这项工作,它经常被称为命名管道。
  • 命名管道是一种特殊类型的文件(命名管道 -- > mkfifo)

4.2 创建命名管道

  • Linux系统中,使用 mkfifo 命令创建有名管道文件,再使用两个进程打开即可
$ mkfifo filename

 

 如上图,当我们在终端1创建了一个命名管道后,往里面写东西,管道不会关闭,在终端2上发现,它的内存大小还是0。

  • 当我们在终端2打印出内容后,管道就自动关闭了。如下图:

  • Linux 系统编程中使用 mkfifo 函数创建一个管道文件,再让两个不相关的进程打开:
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

参数

  1. pathname:要创建的命名管道的路径名。
  2. mode:创建命名管道时设置的权限模式,通常以 8 进制表示,比如 0666。

返回值

  • 若成功,返回值为 0;若失败,返回值为 -1,并设置errno来指示错误类型。

功能

  • mkfifo() 函数的作用是在文件系统中创建一个特殊类型的文件,该文件在外观上类似于普通文件,但实际上是一个FIFO,用于进程之间的通信。
  • 这种通信方式是单向的,即数据写入FIFO的一端,可以从另一端读取出来,按照先进先出的顺序。

🎢 案例:

std::string fifoPath = "/tmp/my_named_pipe";  // 命名管道的路径名
mkfifo(fifoPath.c_str(), 0666); // 创建权限为0666的命名管道

注意事项

  • 路径名确保要创建的命名管道路径名合法且没有重复。
  • 权限模式根据实际需求设置合适的权限模式,确保可被需要访问该管道的进程所访问。
  • 错误处理对 mkfifo() 函数的返回值进行适当的错误处理,根据具体的错误原因进行相应的处理和日志记录。

4.3 命名管道通信案例

先写如下的几个文件:

Comm.hpp

#pragma once

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

const std::string gpipeFile = "./fifo";
const mode_t gmode = 0600;
const int gdefultfd = -1;
const int gsize = 1024;

Client.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include "Comm.hpp" // 让不同代码看到同一份资源

class Client
{
public:
    Client():_fd(gdefultfd)
    {}
    bool OpenPipe()
    {
        _fd = ::open(gpipeFile.c_str(), O_WRONLY);
        if(_fd < 0) 
        {
            std::cerr << "open error" << std::endl;
            return false;
        }
        return true;
    }
    // std::string *: 输出型参数
    // const std::string &: 输入型参数
    // std::string &: 输入输出型参数
    int SendPipe(const std::string &in)
    {
        return ::write(_fd, in.c_str(), in.size());
    }
    void ClosePipe()
    {
        if(_fd>=0)
            ::close(_fd);
    }
    ~Client()
    {}
private:
    int _fd;
};

Server.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include "Comm.hpp"

class Init
{
public:
    Init()
    {
        umask(0);
        int n = ::mkfifo(gpipeFile.c_str(), gmode);
        if (n < 0)
        {
            std::cerr << "mkfifo error" << std::endl;
            return;
        }
        std::cout << "mkfifo success" << std::endl;

        // sleep(10);
    }
    ~Init()
    {
        int n = ::unlink(gpipeFile.c_str());
        if (n < 0)
        {
            std::cerr << "unlink error" << std::endl;
            return;
        }
        std::cout << "unlink success" << std::endl;
    }
};

Init init;


class Server
{
public:
    Server(): _fd(gdefultfd)
    {}

    bool OpenPipe()
    {
        _fd = ::open(gpipeFile.c_str(), O_RDONLY);
        if(_fd < 0)
        {
            std::cerr << "open cerr" << std::endl;
            return false;
        }
        return true;
    }


    // std::string *: 输出型参数
    // const std::string & : 输入型参数
    // std::string &: 输入输出型参数
    int RecvPipe(std::string *out)
    {
        char buffer[gsize];
        ssize_t n = ::read(_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            *out = buffer;
        }
        return n;
    }

    void ClosePipe()
    {
        if(_fd>=0)
            ::close(_fd);
    }

    ~Server()
    {}

private:
    int _fd;
};

Client.cc(客户端,写入)

#include "Client.hpp"
#include <iostream>

int main()
{
    Client client;
    client.OpenPipe();

    std::string message;
    while(true)
    {
        std::cout << "Please Entere# ";
        std::getline(std::cin, message);
        client.SendPipe(message);
    }


    client.ClosePipe();
    return 0;    
} 

Server.cc(服务端,读取显示)

#include "Server.hpp"
#include <iostream>

int main()
{
    Server server;
    server.OpenPipe();
    
    std::string message;
    while(true)
    {
        server.RecvPipe(&message);
        std::cout << "client Say# " << message << std::endl;
    }

    server.ClosePipe();
    return 0;    
}

Makefile(通过 make 指令来生成可执行文件)

SERVER=server
CLIENT=client
CC=g++
SERVER_SRC=Server.cc
Client_SRC=Client.cc

.PHONY:all
all:$(SERVER) $(CLIENT)

$(SERVER):$(SERVER_SRC)
	$(CC) -o $@ $^ -std=c++11
$(CLIENT):$(Client_SRC)
	$(CC) -o $@ $^ -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
	rm -f $(SERVER) $(CLIENT)
  • .PHONY:all :这行声明 all 是一个伪目标。即使文件系统中存在一个名为 all 的文件,make all 命令也会执行与 all 相关的规则,而不是认为目标已经是最新的。
  • all:server client :这行定义了 all 伪目标的依赖,即 server 和 client。当运行 make all 时,Makefile 会首先尝试构建 server 和 client 目标。

运行结果如下:

命名管道演示1

注意:如果客户端先退出,那么接收端就会进入死循环

命名管道演示 - 死循环

原因:

  • 类似于我们上面说的匿名管道写端关闭,读端继续,读端读到0(文件结尾)
  • 死循环是因为 Server.hpp 文件只处理了 n > 0 的情况,因此我们需要做出一些修改,如下对 Server.cc文件做出的修改

运行结果如下:

命名管道-死循环解决演示

为了让我们代码更加优美,并且解决一些代码重复问题,我们再进行一步完善

// Comm.hpp
#pragma once

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

const std::string gpipeFile = "./fifo";
const mode_t gmode = 0600;
const int gdefultfd = -1;
const int gsize = 1024;
const int gForRead = O_RDONLY;
const int gForWrite = O_WRONLY;

int OpenPipe(int flag)
{
    int fd = ::open(gpipeFile.c_str(), gForRead);
    if(fd < 0)
    {
        std::cerr << "open cerr" << std::endl;
        return false;
    }
    return fd;
}

void ClosePipeHelper(int fd)
{
    if(fd>=0) ::close(fd);
}


// Client.hpp
#pragma once

#include <iostream>
#include "Comm.hpp" // 让不同代码看到同一份资源

class Client
{
public:
    Client():_fd(gdefultfd)
    {}
    bool OpenPipeForWrite()
    {
        _fd = OpenPipe(gForWrite);
        if(_fd < 0) return false;
        return true;
    }
    int SendPipe(const std::string &in)
    {
        return ::write(_fd, in.c_str(), in.size());
    }
    void ClosePipe()
    {
        ClosePipeHelper(_fd);
    }
    ~Client()
    {}
private:
    int _fd;
};


// Server.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include "Comm.hpp"

class Init
{
public:
    Init()
    {
        umask(0);
        int n = ::mkfifo(gpipeFile.c_str(), gmode);
        if (n < 0)
        {
            std::cerr << "mkfifo error" << std::endl;
            return;
        }
        std::cout << "mkfifo success" << std::endl;

        // sleep(10);
    }
    ~Init()
    {
        int n = ::unlink(gpipeFile.c_str());
        if (n < 0)
        {
            std::cerr << "unlink error" << std::endl;
            return;
        }
        std::cout << "unlink success" << std::endl;
    }
};

Init init;


class Server
{
public:
    Server(): _fd(gdefultfd)
    {}

    bool OpenPipeForRead()
    {
        _fd = OpenPipe(gForRead);
        if(_fd < 0) return false;
        return true;

    }

    int RecvPipe(std::string *out)
    {
        char buffer[gsize];
        ssize_t n = ::read(_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            *out = buffer;
        }
        return n;
    }

    void ClosePipe()
    {
        ClosePipeHelper(_fd);
    }

    ~Server()
    {}

private:
    int _fd;
};

深入研究管道,继续对 Server.cc 文件进行修改,看看其第一次打开的时候在哪里阻塞

int main()
{
    Server server;
    std::cout << "pos 1" << std::endl;
    server.OpenPipeForRead();
    std::cout << "pos 2" << std::endl;

    std::string message;
    while (true)
    {
        if (server.RecvPipe(&message) > 0)
        {
            std::cout << "client Say# " << message << std::endl;
        }
        else
        {
            break;
        }
        std::cout << "pos 3" << std::endl;
    }
    std::cout << "client quit, me too!" << std::endl;
    server.ClosePipe();
    return 0;
}

运行如下:

命名管道-阻塞演示

结论:

  • 读端打开文件的时候,写端还没有打开,读端对用的 open 就会阻塞

4.4 匿名管道与命名管道的区别

🎀 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。

4.5 命名管道的打开规则

🎈 如果当前打开操作是为读而打开FIFO时

  1. O_NONBLOCK disable:阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
  2. O_NONBLOCK enable:立刻返回成功

🎈 如果当前打开操作是为写而打开FIFO时

  1. O_NONBLOCK disable:阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
  2. O_NONBLOCK enable:立刻返回失败,错误码为ENXIO

5.  小结📖

管道是一种用于进程间通信(IPC)的机制,允许一个进程将数据传递给另一个进程。在类Unix操作系统中,管道通常由内核提供,使用简单的读写接口。

管道分为两种类型:无名管道和命名管道

  1. 无名管道主要用于具有亲缘关系的进程(如父子进程),在创建时不需要名称,只能通过文件描述符进行访问
  2. 命名管道(FIFO)则可以在任何进程之间通信,使用文件系统中的路径来标识

管道的特点

  1. 管道是单向的:数据在一个方向上流动,从写端(写入数据的进程)到读端(读取数据的进程)
  2. 在写端,数据会被写入一个缓冲区,读端则从这个缓冲区读取数据
  3. 管道的缓冲区大小有限,因此如果写入的数据超过缓冲区容量,写入进程会被阻塞,直到有空间可用。

管道的优点在于其简单性和高效性,适用于需要实时数据传输的场景。然而,由于其单向特性和有限的缓冲区,复杂的通信需求可能需要其他IPC机制,如消息队列或共享内存。总的来说,管道是一种基础而有效的进程间通信工具。

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