Linux详解 --- 进程间通信1 (匿名管道与命名管道)

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受排版的限制，上面的思维导图显示的不是很完整。下面是思维导图源文件的获取方式：

思维导图获取

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问题：进程间通信是什么？
 进程间通信就是 进程和进程 之间进行通信。
问题：进程间通信的目的？(为什么要有进程间通信)
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，通知它们发生了某种事件(如进程终止时会去通知父进程)
进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行，此时控制进程希望能够拦住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

问题：进程间通信的分类？
 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
问题：进程间通信的本质是什么？
 进程间通信的本质就是让不同的进程，看到同一份资源。

问题：怎么做到进程间通信？

ps： 由于进程运行时具有独立性，因此进程间通信时，一般要借助第三方(OS)资源 #OS要提供一段内存区域，该区域能被双方进程看到
 通信的本质就是“数据的拷贝”

匿名管道pipe

匿名管道的使用

intpipe(int fd[2]);

参数：
 fd：文件描述符数组，其中fd[0]代表read读端；fd[1]代表write写端；
返回值：
 成功返回0；失败返回错误代码

演示

//父进程通过管道给子进程发消息#include<iostream>#include<unistd.h>#include<sys/wait.h>#include<sys/types.h>#include<cstring>usingnamespace std;intmain(){int fd[2];pipe(fd);//创建匿名管道
  pid_t id =fork();if(id ==0){//子进程close(fd[1]);//关闭写端    char buffer[128];
    ssize_t num =read(fd[0], buffer,sizeof(buffer));    
    buffer[num]='\0';//从文件中读取的字符串并不是以'\0'为结尾的
    cout << buffer;}else{//父进程    close(fd[0]);//关闭读端    constchar* buffer ="this is father porcess!\n";write(fd[1], buffer,strlen(buffer));wait(NULL);}return0;}

匿名管道的原理

 父进程先创建一个匿名管道，然后再创建子进程。在子进程创建的时候，子进程会拷贝父进程的task_struct和files_struct结构体，而他们的files_struct结构体中的文件描述符指向了同一个文件，这样子进程就能看到父进程所创建的匿名管道了。
Tip:
 管道虽然使用的是文件的方案，其实OS并不会把数据刷新到磁盘当中 （匿名和命名都是），因为刷新到磁盘的话，会降低效率（有IO参与，效率肯定会下降）。*//刷新到磁盘也没有意义，2个进程只是借助文件实现通信，所以并不需要刷新到磁盘当中*

父子进程通过匿名管道通信的过程

 首先，父进程先使用pipe函数创建一个管道，一个进程在创建管道的时候，默认是同时打开读端fd[0]和写端fd[1]的。

 父进程调用fork函数，子进程在被创建时会拷贝父进程的task_struct和files_struct结构体，而在files_struct中有2个文件描述符已经指向了一个匿名管道，所以子进程也能看到这个管道。

 为了实现父子间通过管道进行通信，必须让其中1个关闭读端，另一个关闭写端。

管道的特点

• 管道只能进行单向通信
• 管道是半双工通信 （数据在同一时刻只能向1个方向流动，想要进行双向通信需要建立2个管道）
• 管道的内部提供了互斥与同步的机制
• 管道的生命周期跟随进程，一般情况下，进程退出，管道就会被释放
• 匿名管道适合具有血缘关系的进程进行通信 （父子进程、兄弟进程）
• 管道提供流式服务

这里大概解释一下管道特点中的个别几点：
问题：什么是半双工通信？什么是全双工通信？
 全双工：在同一时刻，发送数据 和 接收数据 能同时进行 #同一时刻能双向
 半双工：在同一时刻，只能进行发送 或 接收      #同一时刻只能单向

问题：什么是同步与互斥机制？
 这个概念我将会放在多线程博客当中去讲解，这里就大概的介绍一下。互斥就是同一时刻只能有一个进程/线程正在使用临界资源，同步就是在确保了临界资源安全的前提下，以特定的顺序让进程/线程去访问临界资源。

管道的读写规则

1. 正常进行写和读时，当write写完，关闭该进程的写端fd[1]。此时，读端read函数的返回值为0
2. 写端还没写完，读端就关闭了，此时写端进程会被OS杀掉 (收到SIGPIPE信号)
3. 不write，一直read，由于写端接收不到数据，就会出于阻塞状态
4. 不read，一直write，当管道满了之后，写端就会进入阻塞状态

总结：
读管道：
 1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数
 2. 管道中无数据：
  (1) 管道写端全部被关闭，read返回0
  (2) 写端没有全部被关闭，在read处阻塞等待
写管道：
 1. 管道读端全部被关闭，进程异常终止 （OS发送SIGPIPE信号给写端）
 2. 读端没有全部被关闭：
  (1) 管道未满时，write继续写入数据
  (2) 管道写满了，write阻塞

管道的大小

命名管道

 由于匿名管道只能作用于具有共同祖先的进程间通信，然而大部分的进程实际上都是不相关的，所以我们引入了命名管道，命名管道可以让完全不相干的2个进程进行通信。命名管道虽然是打开一个目录下的文件，但是实际上也是在内存当中进行操作，并不会刷新到磁盘当中。

命名管道的使用

命令行中创建：

mkfifo filename

程序中创建：

intmkfifo(constchar* filename,mode_t mode);//包含于<sys/types.h>  <sys/stat.h>

参数：
 filename：创建出来的命名管道的名称
 mode：命名管道权限的设置

演示

//实现client端给server端发消息//server.cpp#include<iostream>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<unistd.h>#include<string.h>usingnamespace std;#defineFILE_NAME"myfifo"intmain(){mkfifo(FILE_NAME,0666);//mkfifo的第一参数是文件名，它会给你创建个以这个为名字的命名管道    int fd =open(FILE_NAME, O_RDONLY);char buffer[128];while(1){
    ssize_t num =read(fd, buffer,sizeof(buffer));
    buffer[s]=0;//下面的代码是server端接收client端的字符串的消息if(num <0){
       cout <<"read error!"<< endl;break;}elseif(num ==0){         
       cout <<"End of File!"<< endl;break;}else{    
       cout << buffer << endl;}}return0;}//client.cpp#include<iostream>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<unistd.h>#include<string.h>usingnamespace std;#defineFILE_NAME"myfifo"intmain(){int fd =open(FILE_NAME, O_WRONLY);constchar* msg ="hello server, this is client";int cnt =5;while(cnt--){write(fd, msg,strlen(msg));sleep(1);}sleep(100);return0;}

匿名管道 VS 命名管道

匿名管道与命名管道的唯一区别就在于 ----- 管道的打开方式不同
 匿名管道由pipe函数创建，并在创建时打开。
 命名管道由mkfifo函数创建，打开需要使用open

管道的应用

1. 可以实现进程之间互相传递消息（字符串）
2. 可以让一个进程帮助另一个进程执行指令 （另一个进程接收消息后，使用execl函数执行指令）
3. 可以让另一个进程帮助进行计算
4. 可以实现“文件的拷贝”   //文件的上传、下载，实际上都是文件的拷贝