【linux】进程间通信——管道通信

进程间通信

一、进程间通信

1.1 通信的介绍

通信就是一个进程把数据传递给另一个进程，但是每个进程都具有独立性。通信的本质：OS需要直接或者间接给通信双方的进程提供“内存空间”，并且要通信的进程，必须看到一份公共的资源。

1.2 通信的目的

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）

为什么要进行通信？

因为我们有时需要多进程协同，例如管道。

1.3 通信的分类

1️⃣ 采用标准的做法：System V进程间通信（聚焦在本地通信，如共享内存）、POSIX进程间通信（让通信过程可以跨主机）。
2️⃣ 采用文件的做法：管道-基于文件系统（匿名管道、命名管道）

二、管道

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”

我们知道要进行通信要指向同一块空间，所以我们可以让父进程打开一个文件，然后创建子进程，这样父子进程就会指向同一个文件，这样就可以在同一分文件中进行交流。

两个进程看到同一份资源，让一个进程写，另一个进程读，就可以完成进程间通信，这个文件成为管道文件。

但是我们知道往文件里写就要与磁盘进行IO，效率大大降低。

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，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。

这种管道叫做匿名管道。

2.1 匿名管道

我们知道我们如果以读的方式打开文件，那么子进程也会默认为读方式打开。
所以我们分别以读写方式打开同一个文件，子进程也会继承读写。接下来我们关闭一个进程的读端，再关闭另一个进程的写端（当然也可以不关，但为了防止其他进程使用，还是建议关闭），这样就让不同的进程看到同一份文件。

一般而言，管道只能用来进行单向数据通信。

那么怎么创建一个管道级文件呢？

2.1.1 pipe

它的参数是一个输出型参数，它可以帮我们分别以读和写的方式打开文件，然后把文件描述符填进数组返回。

#include<iostream>#include<unistd.h>#include<cassert>usingnamespace std;intmain(){int fds[2];int n =pipe(fds);assert(n ==0);printf("fds[0] = %d\nfds[1] = %d\n", fds[0], fds[1]);return0;}

注意 0是读，1是写。

至此我们成功创建了管道文件，打开了读写端。

#include<iostream>#include<unistd.h>#include<cassert>#include<cstdio>#include<cstring>#include<sys/wait.h>#include<sys/stat.h>usingnamespace std;intmain(){// 创建管道文件int fds[2];int n =pipe(fds);assert(n ==0);// fork
    pid_t id =fork();if(id ==0)// 子{// 子进程通信close(fds[0]);// 关闭读int cnt =0;while(1){char buf[1024];snprintf(buf,sizeof(buf),"child->father: %s[%d]","子进程发送",++cnt);write(fds[1], buf,strlen(buf));sleep(1);}exit(0);}// 父进程通通信close(fds[1]);// 关闭写while(1){char buf[1024];
        ssize_t s =read(fds[0], buf,sizeof(buf)-1);if(s) buf[s]='\0';// 补'\0'
        cout <<"收到消息@ "<< buf << endl;}waitpid(id,nullptr,0);return0;}

2.2.2 读写特征

1️⃣ 读快写慢

子进程休眠，管道内没有数据，此时默认会直接阻塞当前正在读取的进程。

读完一次数据后，第二次就会卡在read处等待。

2️⃣ 读慢写快

写端一直在写，读端不读，而管道是有大小的，会被写满。

当我们让父进程只等待两秒时：

他会按照指定的大小读取（

sizeof(buf) - 1

）。

3️⃣ 写关闭，读到0

4️⃣ 读取关闭，写入

如果是关闭读端，OS会终止写端，并会给写进程发送信号终止进程。

管道特征：

1.管道的生命周期随进程，进程退出，管道释放
2.管道可以用来进行具有血缘关系的进程间通信（常用于父子通信）
3.管道是面向字节流的
4.半双工—单向通信（特殊）
5.互斥与同步机制——对共享资源进行保护的方案

2.2.3 命名管道

我们知道匿名管道只能在有血缘关系的进程间进行通信。
那么没有关系的进程之间就要用命名管道。
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

使用mkfifo命令创建命名管道

一个进程往管道文件中写入，另一个进程从管道中读取。就完成了进程间的通信。


这里要注意，往管道文件中写入和读取的时候大小一直为0。

两个进程打开同一个文件：第二个文件不需要继续创建struct_file对象，直接指向第一个文件的struct_file。在内核中，此时就看到了同一份资源，有着操作方法和缓冲区，不需要把数据刷新到磁盘上去，不需要IO。所以无论是匿名还是命名，本质都是管道。

因为命名管道是通过让不同的进程打开指定名称的同一个文件（因为路径+文件名具有唯一性）。

创建自己的管道文件
我们先创建一个管道文件，首先要让两个进程看到同一份文件。

comm.hpp

创建管道文件函数：

comm.hpp

#include<string>#defineNAME_PIPE"./mypipe"usingnamespace std;boolcreatfifo(const string& path){int n =mkfifo(path.c_str(),0666);if(!n)returntrue;else{
        cout <<"errno mkfifo"<< endl;returnfalse;}}

test1.cc

#include"comm.hpp"usingnamespace std;intmain(){bool flag =creatfifo(NAME_PIPE);assert(flag);return0;}

删除管道文件
删除管道文件函数：

comm.hpp

voidDelete(const string& path){int n =unlink(path.c_str());assert(n ==0);}

test1.cc

intmain(){bool flag =creatfifo(NAME_PIPE);assert(flag);Delete(NAME_PIPE);return0;}

创建和删除管道文件已经完成，我们就可以开始通信了。
test1.cc

#include"comm.hpp"intmain(){bool flag =creatfifo(NAME_PIPE);assert(flag);int rfd =open(NAME_PIPE, O_RDONLY);// 只读if(rfd <0)exit(1);// readchar buf[1024];while(true){
        ssize_t s =read(rfd, buf,sizeof(buf)-1);if(s >0){
            cout <<"test1->test2# "<< buf << endl;}elseif(s ==0){
            cout <<"test2 quit, me too!"<< endl;break;}else{
            cout <<"error"<< endl;break;}}close(rfd);Delete(NAME_PIPE);return0;}

test2.cc

#include"comm.hpp"intmain(){int wfd =open(NAME_PIPE, O_WRONLY);// 只写方式打开同一份文件if(wfd <0)exit(1);// writechar buf[1024];while(true){
        cout <<"输入: ";fgets(buf,sizeof(buf),stdin);// 从键盘读取
        ssize_t n =write(wfd, buf,sizeof(buf));assert(n ==strlen(buf));}close(wfd);return0;}