【Linux】进程间通信（一）：认识管道

📝前言：

这篇文章我们来讲讲进程间通信——认识管道

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一，认识进程通信

1. 进程间通信的意义

我们都知道进程间具有独立性，那如果我们想要让进程间协作，就涉及到进程间通信。

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
• 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），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。

2. 进程通信本质

• 进程间通信的本质是：先让不同的进程看到同一份资源[ “内存”]（然后才有通信条件）
• 同一份资源：不能由任何一个进程提供（因为进程具有独立性，写时会发生写时拷贝），必须由OS提供。
• 既然是由OS提供，就必须有对应的系统调用（而这个通信接口具有统一的设计标准）

二. 匿名管道

1. 认识管道

管道是单向的通信通道，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”。

2. 匿名管道原理

• 匿名管道是基于内存级文件实现的（即：这个文件不涉及缓冲区往磁盘的刷新）【因为这个文件是内存级的，所以叫匿名】
• 通过系统调用pipe，打开管道文件（这是一个可读，可写的文件），会返回两个文件描述符fd（一端是读，一端是写，通常fds[0]：读段，fds[1]：写端）
• 子进程继承父进程的文件描述表，就会和父进程同时指向一个管道文件【即：父子进程看到同一个文件缓冲区，这就是管道】
• 再关闭子进程的一个端和父进程的一个端（如父进程关写端，子进程关读端），就实现了一个父读子写的单向通信

文件描述符角度看管道：

3. 使用示例

pipe

• 打开一读一写端口
• 因为是内存级文件，所以不需要传入要打开的文件的路径和名称
• pipefd[2]：为输出型参数，返回两个fd，pipefd[0]：读端，pipefd[1]：写端

示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{// 让子进程写，父进程读int fds[2];if(pipe(fds) == -1){perror("make pipe");exit(1);}char buffer[100];int id = fork();if (id == 0){int i = 0;// childclose(fds[0]); // 子进程把读端口关了while (true){snprintf(buffer, sizeof(buffer), "我是子进程, PID: %d, 信息序列: %d\n", getpid(), ++i);write(fds[1], buffer, strlen(buffer)); // strlen不计算 \0sleep(1);}exit(0);}// fatherclose(fds[1]); // 把写端口关了// waitpid(id, nullptr, 0);while(true){// 清空缓冲区memset(buffer, 0, sizeof(buffer)); // 同时也进行了 \0 的设置int bytes = read(fds[0], buffer, sizeof(buffer) - 1); // 预留空间给 \0printf("父进程读取成功 (%d 字节): %s\n", bytes, buffer);sleep(1);}return 0;
}

运行结果：

可见：匿名管道适用于父子进程，且父进程来打开管道文件，这样子进程继承父进程的文件描述表，才能和父进程看到同一个文件

4. 五种特性

1. 匿名管道，只能用来进行具有血缘关系的进程进行进程间通信(常用于父子)
2. 管道文件自带同步机制
3. 管道是面向字节流的
4. 管道是单向通信的
5. （管道）文件的声明周期是随进程的

下面我依次简单说明一下：

• 第一点：子进程继承父进程文件描述符表（不多说了）
• 第二点：同步怎么理解？
  • 对于普通文件（比如stdout），父子进程同时往显示器上写是不会相互影响的，都能写出来
  • 但是对于管道（假如是：子写父读，且写慢，读快），则父进程要等子进程写完，才能读到数据
• 第三点：暂时不做解释
  • 提一下：写快，读慢的时候，读这一行为不依赖与写的行为，而是由读自己决定的（自己读几个字节，怎么读），和曾经怎么写没有必然关系。【所以这时候读是面向字节流的】
• 第四点：单向通信（半双工的一种特殊情况）
  • 半双工：任意时刻，只能一读，一写【可能两边都可以读写，只是强调任意时刻，每边只能有一个行为】
  • 全双工：任意时刻，两边可以同时读写
• 第五种：当我们打开一个文件后，在进程结束前，没有close(fd)，进程退出时，会自动把对应文件的引用计数--

5. 四种通信情况

感兴趣的可以自己做测试，这里就不做了。

• 写慢，读快 → 读端要阻塞【等待写端】
• 写快，读慢 → 写满了缓冲区的时候，写端要阻塞【等待读端】
• 写关，继续读 → 把缓冲区读完以后，读不到信息了就会read返回0，即：读到文件结尾了
• 写继续，读关 → 此时写入的行为是没有意义的，OS会杀掉进程【发送异常信号 13】（因为OS本来就是管理资源的，这种没有意义的行为在浪费资源）

6. 其他小知识

• 管道容量：管道是文件，缓冲区也有容量（不同操作系统的管道容量可能不同）
• 管道写入有原子性【当写入数据的大小不超过缓冲区大小时】：即，要么不写，要么写完。如：写入hello world，不会出现只写入了一半hello，然后把world丢掉的情况

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