Linux——进程通信

我们知道，进程具有独立性，各进程之间互不干扰，但我们为什么还要让其联系，建立通信呢？比如：数据传输，资源共享，通知某个事件，或控制某个进程。因此，让进程间建立通信是必不可少的。但如何通信呢？

根据进程的独立性，我们需要保证，让不同的进程看到同一份资源！但这个资源若是进程a建立的则b看不到，b建立的a看不到，因此，这份资源必须由操作系统提供！

   进程间通信分类

      一、.管道

管道在Linux中算是比较古老经典的一种通信方式

假设我们现在有一个进程（PCB，内存 mm_struct等结构），同时其有一个文件描述符表，对应了 某个正在加载的文件（文件在加载就有对应的struct _file、inode），现在我让进程fork出一个子进程，那么PCB等结构会以父进程为模板进行拷贝。但是内核缓冲区、inode也会拷贝吗？不会!文件只会被加载一次，（但struct_file会拷贝，子进程需要有自己的读写位置）那么这个文件是父子进程的共享资源。那么如果我们让父子进程中一方对文件进行写，一方进行读，不就形成了进程间通信了吗？这个以文件方式进行通信的方式我们称为管道。

实际上，两个进程的共享资源是文件内核缓冲区，而且，要让两个进程间通信，就没必要把数据刷新到磁盘。我们用一张图解释一下管道的原理

从图里我们也能看出，管道只能进行单向通信。

我们概念解释一下就是，从一个进程连接到另一个进程的一个数据流。

2.管道创建的接口

如果创建成功就返回0，失败返回-1，其中参数是一个输出型参数，输出管道所连的两个文件的fd。

3.按顺序创建一下管道

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>// 让父进程写
// 让子进程读
int main()
{// 1. 创建管道int fds[2] = {0};int n = pipe(fds); // fds:输出型参数if (n != 0){//创建管道失败了std::cerr << "pipe error" << std::endl;return 1;}// Father -> read// Child  -> write// 2. 创建子进程pid_t id = fork();if (id < 0){std::cerr << "fork error" << std::endl;return 2;}else if (id == 0){// 子进程// 3. 关闭不需要的fd,关闭readclose(fds[0]);int cnt = 0;while (true){std::string message = "hello";message += std::to_string(getpid());message += ", ";message += std::to_string(cnt);// fds[1]write(fds[1],message.c_str,message.size());cnt++;sleep(1);// break;}exit(0);}else{// 父进程// 3. 关闭不需要的fd，关闭writeclose(fds[1]);char buffer[1024];while (true){sleep(1);ssize_t n = read(fds[0], buffer, 1024);if (n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;}else if(n == 0) {}close(fds[0]);break;std::cout << std::endl;}}return 0;
}

我们想让子进程写就需要把读的接口关闭，同理就需要关闭父进程的写入接口。而通常我们的fds[0]表示读，fds[1]表示写。我们这里实现让子进程向文件写入，然后让父进程读取。

3.管道的一些情况

在管道正常的情况下，如果管道为空，那么read会阻塞，如果管道写满了，write会阻塞，其中并不会出现在写入的过程中去读，也不会在读的过程中进行写，这种保护机制在管道本身就已经形成。如果管道写端关闭（比如子进程写入后退出），读端继续，知道读到0表示读到文件结尾。如果管道写端正常，读端关闭，操作系统会直接杀掉写入的进程（此时的写入已经没有意义）

4.管道的特性

我们以上说的管道的相关问题都指的是匿名管道。因为创建管道时并没有名称。关于匿名管道我们有以下特性：

可以用来进行具有血缘关系的进程间通信

文件的生命周期随进程终止而终止，管道也是

只能做到单向数据通信

管道自带同步互斥等保护机制（读写有相对顺序）

二、管道通信的具体场景——进程池

我们刚才说到，如果管道为空，那么read方就会阻塞，知道有人写入才会读，假设有一个父进程fork出好几个子进程，此时其又为每一个子进程建立了管道，但此时在管道中没有内容，那么作为子进程就只能阻塞，等到父进程进行写入后进行通信。此时如果父进程向管道中写入某些命令，并让子进程们去执行，那么我们就可以像分派任务一样完成操作。像这样的模型我们称为进程池。

三、命名管道

上面我们的所有管道都是匿名管道，匿名管道没有名字，那么在通信时父子进程时如何看到这个管道的呢？->因为子进程继承了父进程的资源。但如果我想让任意两个进程间进行通信呢？此时就需要对管道进行命名了。

创建命名管道：

mkfifo name

我们来用一下，此时我们写入命令：echo "hello">fifo。我们发现卡住了，我们再启动一个终端并写入"cat <fifo"我们发现两个终端恢复正常并打印hello。相当于把内容写在管道然后等待另一端进行读，这就是基本的通信流程。

1.为什么叫命名管道

我们查看管道的详细信息发现，它是一个文件，有自己的inode，文件类型以p开头，也就是说它也有唯一的路径和文件名。这样我们可以用同一个文件系统路径，让两个进程看到同一份进程进行通信。其原理就是让操作系统只使用内核文件缓冲区，只是不刷新就可以了。

我们还有用函数来创建命名管道的方式：

第一个参数就是创建管道的路径，第二个参数是权限。创建成功返回0，出错返回-1

四、system V共享内存

我们知道，一个进程有自己的虚拟地址空间，然后通过页表映射到真实的物理地址，在虚拟地址空间中，有一块共享区，前面我们提到过，一般会把动态库映射到此部分，但现在如果我们在物理内存上开辟一块空间，然后让其通过页表映射到共享区，同样地，另一个进程也进行此操作，那么最终就会形成一个物理地址对应两个虚拟地址，就成功让两个进程看到同一份资源了。这就是共享内存。

共享内存可以在任何时刻在OS内存在多个。

创建共享内存的接口：shmget

第三个参数是一个标记位，我们常用的有IPC_CREAT和IPC_EXCL（宏），前者的作用是，如果内存不存在则创建，如果存在，将其获取并返回。对于后者，如果单独使用无意义，一般二者组合使用（|）。表示，如果内存不存在则创建，如果存在，出错返回。

返回值是一个shmid（共享内存标识符）,可以看成数组下标，但和文件描述符相比，这个下标可以从0开始。失败返回-1.

第一个参数必须由用户手动输入，这个参数是用来保证两个进程所映射的是同一份内存，因为我们往往会有很多对共享内存同时存在，为了保证不出错，我们需要让每一份内存都具有唯一性，我们就可以用这个参数进行编号（具体输入由用户决定，能体现唯一性即可），这样我们就可以通过路径+id即可保证映射同一份资源。同时，系统中也有用来生成key值对应的函数：key_t ftok(路径，projid）

共享内存生命周期随内核！

已经开辟的共享内存要么手动释放，要么让OS重启。

五、共享内存的管理指令

1.查看已经开辟的共享内存——ipcs -m

2.删除共享内存——ipcrm -m shmid

3.控制共享内存的相关属性——shmctl函数 

第二个参数我们传对应的宏选项即可，第三个参数用于获取共享内存的相关属性，一般置为nullptr。

比如我们可以用函数删除共享内存

shmctl( shmid,IPC_RMID,nullptr);

六、共享内存的特点 

1.通信速度最快，相比于管道，共享内存只需要一次拷贝，提高了效率。

2.可以让两个进程在各自的用户空间共享内存块，但是没有加任何保护机制！

3.这个保护机制需要由用户自己完成，其中，共享资源被保护起来的话就称临界资源，而我们的代码并不完全都是访问共享内存的，只有访问公共资源的代码我们称临界区，对应的就是非临界区