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【Linux】进程间通信 - 管道

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1. 进程间通信介绍

两个进程间，可以进行“数据”的直接传递吗？不能！进程具有独立性！

进程间通信的本质：先让不同的进程，看到同一份资源（一般都是要由 OS 提供）。

1.1 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），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 进程间通信发展

  • 管道
  • System V 进程间通信
  • POSIX 进程间通信

1.3 进程间通信分类

  • 管道 - 匿名管道 pipe- 命名管道
  • System V IPC - System V 消息队列- System V 共享内存- System V 信号量
  • POSIX IPC - 消息队列- 共享内存- 信号量- 互斥量- 条件变量- 读写锁

2. 管道

2.1 什么是管道

  • 管道是 Unix 中最古老的进程间通信的形式。
  • 我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”。

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2.2 匿名管道

#include<unistd.h>

功能：创建一个无名管道
原型：
intpipe(int fd[2]);
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

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实例代码

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<unistd.h>// 例子：从键盘读取数据，写入管道，读取管道，写到屏幕intmain(){int fds[2];char buf[100];int len;if(pipe(fds)==-1)perror("make pipe"),exit(1);// read from stdinwhile(fgets(buf,100,stdin)){
        len =strlen(buf);// write into pipeif(write(fds[1], buf, len)!= len){perror("write to pipe");break;}memset(buf,0x00,sizeof(buf));// read from pipeif((len =read(fds[0], buf,100))==-1){perror("read from pipe");break;}// write to stdoutif(write(1, buf, len)!= len){perror("write to stdout");break;}}return0;}

2.3 用 fork 来共享管道原理

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2.4 站在文件描述符角度 - 深入理解管道

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2.5 站在内核角度 - 管道本质

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所以，看待管道，就如同看待文件一样！管道的使用和文件一致，迎合了 “Linux 一切皆文件” 思想。

fork 共享管道测试代码

#include<stdio.h>#include<string.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>// childvoidwriter(int wfd){constchar*str ="hello father, I am child";char buffer[128];int cnt =0;
    pid_t pid =getpid();while(1){sleep(1);char c ='A';write(wfd,&c,1);
        cnt++;printf("cnt: %d\n", cnt);}close(wfd);}// fathervoidreader(int rfd){char buffer[1024];int cnt =10;while(1){
        ssize_t n =read(rfd, buffer,sizeof(buffer)-1);if(n >0)printf("father get a message: %s, n: %ld\n", buffer, n);elseif(n ==0){printf("read pipe done, read file done!\n");break;}elsebreak;

        cnt--;if(cnt ==0)break;}close(rfd);printf("read endpoint close!\n");}intmain(){printf("PIPE_BUF: %d\n", _PC_PIPE_BUF);// 1.int pipefd[2];int n =pipe(pipefd);if(n <0)return1;//                                       read       writeprintf("pipefd[0]: %d, pipefd[1]: %d\n", pipefd[0], pipefd[1]);// 3, 4// 2.
    pid_t id =fork();if(id ==0){// child: wclose(pipefd[0]);writer(pipefd[1]);exit(0);}// father: rclose(pipefd[1]);reader(pipefd[0]);int status =0;
    pid_t rid =waitpid(id,&status,0);if(rid == id){printf("exit code: %d, exit signal: %d\n",WEXITSTATUS(status), status &0x7F);}return0;}

2.6 管道读写规则

  1. 当没有数据可读时 - O_NONBLOCK disable：read 调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。- O_NONBLOCK enable：read 调用返回 -1，errno 值为 EAGAIN。
  2. 当管道满的时候 - O_NONBLOCK disable：write 调用阻塞，直到有进程读走数据。- O_NONBLOCK enable：调用返回 -1，errno 值为 EAGAIN。
  3. 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则 read 返回 0。
  4. 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 SIGPIPE，进而可能导致 write 进程退出。
  5. 当要写入的数据量不大于 PIPE_BUF 时，Linux 将保证写入的原子性。
  6. 当要写入的数据量大于 PIPE_BUF 时，Linux 将不再保证写入的原子性。

2.7 管道特点

  • 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。
  • 管道提供流式服务。
  • 一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程。
  • 一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥。
  • 管道是半双工的，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。

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3. 命名管道

  • 命名管道可以从命令行上创建，命令行方法是使用下面这个命令：$ mkfifo filename
  • 命名管道也可以从程序里创建，相关函数有：intmkfifo(constchar* filename, mode_t mode);

创建命名管道：

intmain(int argc,char* argv[]){mkfifo("p2",0644);return0;}

3.1 匿名管道与命名管道的区别

  • 匿名管道由 pipe 函数创建并打开。
  • 命名管道由 mkfifo 函数创建，打开用 open。
  • FIFO（命名管道）与 pipe（匿名管道）之间唯一的区别在于它们创建与打开的方式不同，一旦这些工作完成之后，它们具有相同的意义。

3.2 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： - O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该 FIFO。- 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： - O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该 FIFO。- O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为 ENXIO。

例：用命名管道实现 server & client 通信

$ ls-l
total 16
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 1009 May  417:16 Comm.hpp
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu  193 May  415:14 Makefile
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu  656 May  417:44 PipeClient.cc
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu  929 May  417:44 PipeServer.cc

Makefile：

$ cat Makefile 
.PHONY:all
all:pipe_client pipe_server

pipe_server:PipeServer.cc
    g++ -o$@ $^ -std=c++11
pipe_client:PipeClient.cc
    g++ -o$@ $^ -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
    rm-f pipe_client pipe_server

Comm.hpp：

#ifndef__COMM_HPP__#define__COMM_HPP__#include<iostream>#include<string>#include<cerrno>#include<cstring>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<unistd.h>#include<fcntl.h>usingnamespace std;#defineMode0666#definePath"./fifo"classFifo{public:Fifo(const string &path):_path(path){umask(0);int n =mkfifo(_path.c_str(), Mode);if(n ==0){
            cout <<"mkfifo success"<< endl;}else{
            cerr <<"mkfifo failed, errno: "<< errno <<", errstring: "<<strerror(errno)<< endl;}}~Fifo(){int n =unlink(_path.c_str());if(n ==0){
            cout <<"remove fifo file "<< _path <<" success"<< endl;}else{
            cerr <<"remove failed, errno: "<< errno <<", errstring: "<<strerror(errno)<< endl;}}private:
    string _path;// 文件路径 + 文件名};#endif

PipeServer.cc：

#include"Comm.hpp"intmain(){
    Fifo fifo(Path);int rfd =open(Path, O_RDONLY);if(rfd <0){
        cerr <<"open failed, errno: "<< errno <<", errstring: "<<strerror(errno)<< endl;return1;}// 如果我们的写端没打开，先读打开，open的时候就会阻塞，直到把写端打开，读open才会返回
    cout <<"open success"<< endl;char buffer[1024];while(true){
        ssize_t n =read(rfd, buffer,sizeof(buffer)-1);if(n >0){
            buffer[n]=0;
            cout <<"client sat : "<< buffer << endl;}elseif(n ==0){
            cout <<"client quit, me too!"<< endl;break;}else{
            cerr <<"read failed, errno: "<< errno <<", errstring: "<<strerror(errno)<< endl;break;}}close(rfd);return0;}

PipeClient.cc：

#include"Comm.hpp"intmain(){int wfd =open(Path, O_WRONLY);if(wfd <0){
        cerr <<"open failed, errno: "<< errno <<", errstring: "<<strerror(errno)<< endl;return1;}

    string inbuffer;while(true){
        cout <<"Please Enter Your Message# ";
        std::getline(cin, inbuffer);if(inbuffer =="quit")break;

        ssize_t n =write(wfd, inbuffer.c_str(), inbuffer.size());if(n <0){
            cerr <<"write failed, errno: "<< errno <<", errstring: "<<strerror(errno)<< endl;break;}}close(wfd);return0;}

结果：

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END

标签： linux 运维 服务器
本文转载自: https://blog.csdn.net/m0_73156359/article/details/138377496
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