进程间通信——匿名管道

进程间通信

进程是一个独立的资源分配单元，不同进程（用户进程）之间的资源是独立的，没有关联的，不能在一个进程中直接访问另一个进程中的资源。
但是进程不是孤立的，不同的进程需要进行信息的交互和状态的传递，因此需要进程间通信（IPC（inter processes communication））.

进程间通信的目的

数据传输。一个进程需要将他的数据传输给另一个进程。
通知事件。一个进程需要向另一个/一组进程发送消息，通知他/他们发生了某种事件（比如进程终止时要通知父进程）
资源共享。多个进程之间共享同样的资源（需要内核提供互斥和同步机制）。
进程控制。有些进程希望完全控制另一个进程的执行（比如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的缺陷和异常，并能够及时知道他的状态改变。

linux进程间的通信方式

匿名管道

管道也叫做无名（匿名）管道，他是 unix 系统 IPC 最古老形式，所有的 unix 系统都支持这种通信方式。
例如，统计一个目录中文件的数目命令：ls | wc -l，为了执行这个命令，shell创建了两个进程来分别执行 ls 和 wc 命令

管道的特点

管道其实是一个在内核中维护的缓冲器，这个缓冲期的存储能力是有限的，不同的操作系统下大小不一定相同。
管道拥有文件读写操作的特性，可以按照操作文件的方式来操作管道。匿名管道没有文件实体，有名管道有文件实体，但是不存储数据。
管道是一个字节流，使用管道时不存在消息或者消息边界的概念，从管道中读取数据的进程可以读取任意大小，而不管写入数据的进程写入了多少数据。
通过管道传输的数据是顺序的，从管道读出数据的顺序和写入管道中数据的顺序一致。
管道中数据单向传输，从一端写入从另一端读取，是半双工的。
管道中的数据只能被读取一次，读完之后被抛弃以便写入新的数据，管道中不能使用lseek来随机的读取数据。
匿名管道只能用在同一个公共祖先的管道之间（父子、兄弟等具有亲缘关系的管道之间）。

管道的数据结构

管道的数据结构是一个环形队列。

匿名管道的使用

创建与使用管道

#include<nistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);

作用： 创建一个匿名管道用于进程间通信
参数： 一个传入值传出结果的数组参数，pipefd[0]对应的是管道的读端，pipefd[1]对应的是管道的写端。
返回： 成功0，失败-1
管道是默认阻塞的： 如果管道中没有数据，read阻塞。如果管道满了，write阻塞。
注意： 匿名管道只能用于有公共祖先的进程之间通信（父子进程，兄弟进程等）。

查看管道缓冲大小的shell命令：

ulimit -a

查看管道缓冲大小的函数：

#include <unistd.h>
long fpathconf(int fd, int name);

子进程发送数据给父进程，父进程读取数据的例子：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
    // 需要在 fork 之前创建管道
    int aiPipeFd[2];
    int iRet = pipe(aiPipeFd);
    if (-1 == iRet) {
        perror("pipe create failed!\n");
        exit(0);
    }

    // 创建子进程
    pid_t tPid = fork();
    if (tPid > 0) {
        printf("I am parent, pid:%d\n", getpid());
        // 关闭管道的写端
        close(aiPipeFd[1]);
        char acBuf[1024] = {0};
        while(1) {
            int iLen = read(aiPipeFd[0], acBuf, sizeof(acBuf));
            printf("parent pid:%d, recv:%s\n", getpid(), acBuf);
            bzero(acBuf, 1024);
        }
    }
    else if (tPid == 0) {
        printf("I am child, pid:%d\n", getpid());
        // 关闭管道的读端
        close(aiPipeFd[0]);
        char* pStr = "Hello, I am child!";
        while(1) {
            write(aiPipeFd[1], pStr, strlen(pStr));
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

输出：

获取管道的大小，其中 name 参数可以从 man fpathconf 中查询

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int aiPipeFd[2];
    int iRet = pipe(aiPipeFd);
    if (-1 == iRet) {
        perror("pipe created failed!\n");
        exit(0);
    }

    // 获取管道的大小
    long lSize = fpathconf(aiPipeFd[0], _PC_PIPE_BUF);
    printf("pipe size:%ld\n", lSize);
    return 0;
}

管道的读写特点

使用管道时需要注意以下几种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作）：

如果所有的指向管道写端的文件描述符都被关闭了（管道写端引用计数为0），当有进程从管道读端读数据，管道中剩余的数据被读完之后，再次 read 会返回0，就像读到文件结尾一样。
如果指向管道写端的文件描述符没有被关闭（管道写端引用计数大于0），且持有管道写端描述符的进程没有向管道中写数据。此时如果有进程从管道中读数据，当管道中的数据被读完之后，再次 read 将会阻塞，直到管道中被写入了新数据才会读到数据并返回。
如果所有指向管道读端的文件描述符都被关闭了（管道读端引用计数为0），当有进程向管道中写数据，那么该进程会收到一个 SIGPIPE 信号，通常会导致进程异常终止。
如果指向管道读端的文件描述符没有被关闭（管道读端引用计数大于0），且持有管道读端描述符的进程没有从管道中读数据。此时如果有进程向管道中写数据，当管道被写满之后，再次 write 将会阻塞，直到管道中有空位置才会写入数据并返回。

总结：
读管道：

管道中有数据，read返回实际读到的字节数。
管道中无数据：
1. 写端被全部关闭，read返回0（相当于读到文件末尾）
2. 写端没有完全关闭，read阻塞等待。
  写管道：
管道读端全部被关闭，进程异常终止（进程收到 SIGPIPE 信号）
管道读端没有全部被关闭
1. 管道已满，write阻塞
2. 管道没有满，write写入数据并返回实际写入的字节数

posted @ 2025-04-22 09:21 luckilzy 阅读(21) 评论(0) 收藏举报

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