Linux进程通信——IPC、管道、FIFO的引入

进程间的通信——IPC

进程间通信 (IPC，InterProcess Communication) 是指在不同进程之间传播或交换信息。

IPC的方式通常有管道 (包括无名管道和命名管道) 、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。

单机：若是在单一机器上，则为单机通信

半双工管道
全双工管道
消息队列
信号量
共享内存

多机：多台机器上，为网络通信

网络通信种类如下：

管道

管道，通常指无名管道（之所以叫无名管道是因为没有文件名），是 UNIX 系统IPC最古老的形式。

特点

（1）它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端。
（2）它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）。
（3）它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。
（4）管道中不储存数据，数据写进后读取就会消失，类似于水流。

原型

#include <unistd.h>     //函数pipe包含的头文件
int pipe(int fd[2]);    // 返回值：若成功返回0，失败返回-1

当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符: fd[0]为读而打开，fd[1]为写而打开。如下图:

要关闭管道只需将文件描述符关闭即可。

close(fd[0]);
close(fd[1]);

创建

单个进程中的管道几乎没有任何用处。所以，通常调用 pipe 的进程接着调用 fork，这样就创建了父进程与子进程之间的 IPC 半双工通道。如下图所示：

左图为调用fork函数创建了IPC半双工管道，右图为父进程到子进程的管道。

代码示例

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{int pid=0;int fd[2];char buf[128];if(pipe(fd) == -1)//如果管道创建失败{printf("creat pipe failed\n");}pid=fork();if(pid<0)//创建子进程失败{printf("creat failed\n");}else if(pid >0)//进入父进程{printf("this is father\n");close(fd[0]);//关闭读文件描述符write(fd[1],"read from father",strlen("read from father"));//将内容写入管道中wait();//等待子进程}else//进入子进程{printf("this is child\n");close(fd[1]);//关闭写文件描述符read(fd[0],buf,128);//将管道中内容读取到bufprintf("read form father:%s\n",buf);exit(0);//子进程退出}return 0;
}

以上代码实现了管道通信，但read在没有读取到内容时会阻塞，直到读取内容后才正常运行，可以做以下调试：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{int pid=0;int fd[2];char buf[128];if(pipe(fd) == -1)//如果管道创建失败{printf("creat pipe failed\n");}pid=fork();if(pid<0)//创建子进程失败{printf("creat failed\n");}else if(pid >0)//进入父进程{sleep(3);//进入父进程后睡眠3秒再运行printf("this is father\n");close(fd[0]);//关闭读文件描述符write(fd[1],"read from father",strlen("read from father"));//将内容写入管道中wait();//等待子进程}else//进入子进程{printf("this is child\n");close(fd[1]);//关闭写文件描述符read(fd[0],buf,128);//将管道中内容读取到bufprintf("read form father:%s\n",buf);exit(0);//子进程退出}return 0;
}

方案是创建父进程后让其睡眠3秒后再执行父进程中的代码，可见在睡眠时子进程先运行其代码，但并没有执行read函数，此时表现为堵塞状态，直到3秒后父进程正常运行并将内容写入管道中，子进程才读取管道中的内容并成功打印。

FIFO

FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型。

特点

1.FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同。
2.FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。

原型

#include <sys/stat.h>
int mkfifo (const char *pathname, mode t mode) ;// 返回值: 成功返回0，出错返回-1

第一部分参数是文件的路径，第二部分的 mode 参数与open函数中的 mode 相同。一旦创建了一个 FIFO，就可以用一般的文件1/0函数操作它。如：open、read、write等函数。

当 open 一个FIFO时，是否设置非阻塞标志 (O_NONBLOCK) 的区别:

• 若没有指定O_NONBLOCK(默认)，只读 open 要阻塞到某个其他进程为写而打开此 FIFO。类似的，只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它。
• 若指定了O_NONBLOCK，则只读 open 立即返回。而只写 open 将出错返回 -1 。如果没有进程已经为读而打开该 FIFO，其errno置ENXIO。

创建

FIFO的通信方式类似于在进程中使用文件来传输数据，只不过FIFO类型文件同时具有管道的特性。在数据读出时，FIFO管道中同时清除数据，并且“先进先出”。

代码示例

read.c

#include <stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd = 0;int n_read = 0;char buf[128];if(mkfifo("./file",0600) == -1 && errno!=EEXIST)//判断管道出错原因是不是在于已经创建{printf("mkfifo failure\n");perror("why");}else{if(errno==EEXIST)//管道已经创建{printf("file eexist\n");}else//管道未创建{printf("mkfifo successed\n");}}fd = open("./file",O_RDONLY);//只写方式打开printf("open file succeed\n");n_read = read(fd,buf,128);//需要等待写入完毕才能读取，才能执行下列代码printf("read %d byte from file,context is %s\n",n_read,buf);close(fd);return 0;
}

write.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>int main()
{char *buf="hello word!!!!!!!!!!";int fd;fd = open("./file",O_WRONLY);//只写方式打开printf("write file success\n");write(fd,buf,strlen(buf));//将字符串内容写入fd中，写完才可以读取close(fd);return 0;
}

可见执行read文件时，显示管道已经存在后停止执行后续代码，当执行write文件后read文件继续执行后续代码，实现管道间的通信。