Linux多进程开发（3）：进程间通信、匿名管道、有名管道
进程间通信
01 进程间通讯概念
- 进程是一个独立的资源分配单元，不同进程(这里所说的进程通常指的是用户进程，不考虑系统进程)之间的资源是独立的，没有关联，不能在一个进程中直接访问另一个进程的资源。
- 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等，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：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。
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)。
资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了做到这一点，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(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。
02 Linux进程间通信的方式
https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/50908749
匿名管道
- 管道也叫无名(匿名)管道，它是是UNIX系统IPC(进程间通信)的最古老形式,所有的UNIX系统都支持这种通信机制。
- 统计一个目录中文件的数目命令: ls | wc -l，为了执行该命令，shell 创建了两个进程来分别执行ls和wC。
管道的特点
- 管道其实是一个在内核内存中维护的缓冲器，这个缓冲器的存储能力是有限的，不同的操作系统大小不一定相同。
- 管道拥有文件的特质：读操作、写操作，匿名管道没有文件实体，有名管道有文件实体，但不存储数据。可以按照操作文件的方式对管道进行操作。
- 一个管道是一个字节流，使用管道时不存在消息或者消息边界的概念，从管道读取数据的进程可以读取任意大小的数据块，而不管写入进程写入管道的数据块的大小是多少。
- 通过管道传递的数据是顺序的，从管道中读取出来的字节的顺序和它们被写入管道的顺序是完全一样的。
- 在管道中的数据的传递方向是单向的，一端用于写入，一端用于读取，管道是半双工的。
- 从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读走，它就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据，在管道中无法使用lseek()来随机的访问数据。
- 匿名管道只能在具有公共祖先的进程(父进程与子进程，或者两个兄弟进程，具有亲缘关系)之间使用
为什么可以使用管道进行进程间通信
为什么可以使用管道进行进程间通信，为什么匿名管道只能在具有公共祖先的进程(父进程与子进程，或者两个兄弟进程，具有亲缘关系)之间使用。原因是只有具有公共祖先的进程的文件描述符表才会相同，由于管道拥有文件的特质，具有公共祖先的进程能对同一个文件进行读操作、写操作
管道的数据结构
匿名管道的使用
- 创建匿名管道
/*
int pipe(int pipefd[2]);
功能：创建一个匿名管道，用来进程问通信。指令 man 3 pipe 查看详情
头文件：#include <unistd.h>
参数：int pipefd[2] 这个数组是一个传出参数。
pipefd[0]对应的是管道的读端
pipefd[1]对应的是管道的写端
返回值：
成功 0
失败-1
注意：匿名管道只能用于具有关系的进程之间的通信。
如果两个进程之间通过匿名管道相互传递信息，则有可能会导致当前进程写完后读到自己写的内容，因为自己写的内容还没来得及被另外一个进程读走。
所以匿名管道一般只用来单向传递信息，写数据的进程最好关闭读端，读数据的进程最好关闭写端。
*/
//示例：子进程传递信息给父进程
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main()
{
//在fork函数之前创建管道，否则无效
int pipeFd[2];
int ret = pipe(pipeFd);
if(ret == -1)
{
perror("pipe");
return -1;
}
int pid = fork(); //创建子进程
if(pid < 0) //子进程创建失败
{
perror("fork");
return -1;
}
else if(pid == 0) //子进程
{
close(pipeFd[0]); //关闭读端
char *str = "hello, i am child";
write(pipeFd[1], str, strlen(str)); //写数据
}
else //父进程
{
close(pipeFd[1]); //关闭写端
char buf[1024] = {0};
read(pipeFd[0], buf, sizeof(buf)); //读数据。在管道内为空的时候，父进程处于阻塞状态，直到子进程写入数据，父进程开始读数据
printf("parent receive : %s, pid : %d\n", buf, getpid()); //输出读到的数据
}
return 0;
}
- 查看管道缓冲大小命令
ulimit -a - 查看管道缓冲大小函数
#include <unistd.h>
long fpathconf(int fd, int name); //name是一些宏，可以通过指令 man 3 fpathconf查看
管道的读写特点和管道设置为非阻塞
管道的读写特点
使用管道时，需要注意以下几种特殊的情况(假设都是阻塞I/O操作)
- 所有的指向管道写端的文件描述符都关闭了(管道写端引用计数为0，引用计数：有多少个打开的文件描述符指向这一端，关闭的不算)，这时有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据被读取以后，再次read会返回0，就像读到文件末尾那样。
- 如果有指向管道写端的文件描述符没有关闭(管道的写端引用计数大于0)，而持有管道写端的进程也没有往管道中写数据，这个时候有进程从管道中读取数据，那么管道中剩余的数据被读完后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可以读了才读取数据并返回。
- 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了(管道的读端引用计数为0)，这个时候有进程向管道中写数据，那么该进程会收到一个信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。
- 如果有指向管道读端的文件描述符没有关闭(管道的读端引用计数大于0)，而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道中写数据，那么在管道被写满的时候再次write会阻塞，直到管道中有空位置才能再次写入数据并返回。
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：
写端被全部关闭，read返回0 (相当于读到文件的末尾)
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)
- 管道读端没有全部关闭：
管道已满，write阻塞
管道没有满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数
设置管道非阻塞
int flags = fcntl(fd[0], F_GETFL); //获取原来的flag，fd[0]：管道读端
flags |= O_NONBLOCK; //把flags加上非阻塞
fcntl(fd[0], F_SETFL, flags); //设置文件描述符的新flags
有名管道
-
匿名管道，由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。为了克服这个缺点，提出了有名管道(FIFO)，也叫命名管道、FIFO文件。
-
有名管道(FIFO)不同于匿名管道之处在于它提供了一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中，并且其打开方式与打开一个普通文件是一样的，这样即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信，因此，通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。
-
一旦打开了FIFO，就能在它上面使用与操作匿名管道和其他文件的系统调用一样的I/O系统调用了(如read()、write()和close())。与管道一样，FIFO也有一个写入端和读取端，并且从管道中读取数据的顺序与写入的顺序是一样的。FIFO的名称也由此而来：先入先出。
-
有名管道(FIFO)和匿名管道(pipe)有一些特点是相同的，不一样的地方在于：
1.FIFO在文件系统中作为一个特殊文件存在，但FIFO中的内容却存放在内存中。
2.当使用FIFO的进程退出后，FIFO文件将继续保存在文件系统中以便以后使用。
3.FIFO有名字，不相关的进程可以通过打开有名管道进行通信。
有名管道的使用
- 通过命令创建有名管道
mkfifo 名字 - 通过函数创建有名管道
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
/*
创建有名管道，指令 man 3 mkfifo 查看详情
头文件： #include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
pathname：创建管道文件的路径，带管道文件名
mode：文件权限。与open函数中的mode一样，需要与umask做相应运算去掉某些权限
返回值：
成功返回0
失败返回-1
*/
//注意，写数据的进程要以只写打开管道，读数据的进程要以只读打开管道，目的与匿名管道写端关闭读端、读端关闭写端一样。
//创建管道之前最好先用access函数判断一下管道文件是否存在
//读数据时可以循环读
- 一旦使用mkfifo创建了一个FIFO，就可以使用open打开它，常见的文件I/O函数都可用于fifo。如：close、read、write、unlink等。
- FIFO严格遵循先进先出(First in First out)，对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。
示例
//write.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
int ret1 = access("fifo1", F_OK);
if(ret1 == -1)
{
printf("管道文件不存在，已创建新的管道文件");
int ret2 = mkfifo("fifo1", 0664);
if(ret2 == -1)
{
perror("mkfifo");
exit(0);
}
}
int fd = open("fifo1", O_WRONLY);
if(fd == -1)
{
perror("open");
exit(0);
}
int i = 0;
for(; i < 100; i++)
{
char buf[1024];
sprintf(buf, "hello, %d\n", i); //在buf内写入"hello, i当前的值"
printf("write data : %s\n", buf);
write(fd, buf, strlen(buf));
sleep(5);
}
close(fd);
return 0;
}
//read.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
int ret1 = access("fifo1", F_OK);
if(ret1 == -1)
{
printf("管道文件不存在，已创建新的管道文件\n");
int ret2 = mkfifo("fifo1", 0664);
if(ret2 == -1)
{
perror("mkfifo");
exit(0);
}
}
int fd = open("fifo1", O_RDONLY | O_NONBLOCK); //只读、非阻塞打开管道
if(fd == -1)
{
perror("open");
exit(0);
}
while(1)
{
char buf[1024] = {0};
int len = read(fd, buf, 1024);
printf("返回值：%d\n", len); //因为现在是非阻塞，所以当返回值为-1时，代表还没有传数据过来
memset(buf, 0, 1024); //清空buf
if(len == 0) //当写端进程关闭连接时，read返回值会变成0
{
printf("写端断开连接\n");
break;
}
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}
有名管道的读写特点
有名管道的注意事项：
- 一个为只读打开管道的进程会阻塞，直到另外一个进程为只写打开管道
- 一个为只写打开管道的进程会阻塞，直到另外一个进程为只读打开管道
(以下与匿名管道相同)
- 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：
写端被全部关闭，read返回0 (相当于读到文件的末尾)
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)
- 管道读端没有全部关闭：
管道已满，write阻塞
管道没有满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数
浙公网安备 33010602011771号