进程间通信基础知识【Linux】——上篇

目录

一，理解进程之间的通信

1. 进程间通信目的

2. 进程间通信的技术背景

3，常见的进程间通信

二，管道

1. 尝试建立一个管道

管道的特点：

管道提供的访问控制：

2. 扩展：进程池

阶段一： 创建多个子进程

阶段二：构建命令方法

ProcessPool.cpp

task.hpp

下一期：进程通信基础知识

结语

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一，理解进程之间的通信

首先，系统在设计时，秉持这相互独立的原则，因此要想实现进程之间的通信是比较困难的。而进程之间的通信本质上是：不同的进程能访问同一份数据。

1. 进程间通信目的

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。实现多进程协同工作，比如：A进程完成，数据收集整合；B进程接受A进程结果，分析问题。

2. 进程间通信的技术背景

1）进程是具有独立性的，虚拟地址 + 页表 保证进程之间的独立性 （内核中数据结构 ， 代码以及数据）

2）通信成本比较高。

3，常见的进程间通信

1. Linux系统——管道

2. SystemV——单机通信(多进程)

3. posix——网络通信

二，管道

什么是管道

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。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。

而这个 “ 管道 ”虽然是一个文件，但它不向硬盘写入，管道里的数据是内存级的临时数据。

fd 这个变量就是我们父进程创建的那个pipefile（管道文件描述符存储数组），在经过pipe创建后，将管道的文件描述符填入fd数组中。

1. 尝试建立一个管道

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <assert.h>
#include <sys/types.h>
using namespace  std;
int main()
{// 用数组记录，读写端int pipefd[2] = {0}; // pipefd[0],是读端，0就如一张口；pipefd[1],是写端，1就如一只笔。int ret = pipe(pipefd);assert(ret != -1);pid_t pd = fork();// 假设父进程需要：写。if (pd == 0){  // 子进程创建成功// 子进程则需要的是：读close(pipefd[1]);cout << "chail success" << endl;char red[1024];// 循环接收并打印数据while (1){read(pipefd[0], red, sizeof (red) -1);cout << red << "### " << "我是子进程,pid:" << getpid() << "父进程: " << getppid() << endl;}exit(1);}// 父进程， 功能：写close(pipefd[0]);string base_str = "我是父进程, 正在给你发消息:";char buffer[1024];   // 输出缓冲区int count = 0;while (1)  // 不断地向子进程发送数据{// 向缓冲区里，不断输入变换的消息int len = snprintf(buffer, sizeof buffer, "%s pid = [%d], 消息数量: %d", base_str.c_str(), getpid(), count++);// 向管道写入write(pipefd[1], buffer, len);sleep(1); // 一秒秒的刷新} return 0;
}

发现现象： 

我们是否注意到，在父进程写数据时，是每隔一秒写一份到管道，而我们没有限制子进程打印的间隔，但从结果来看，向管道内取数据（子进程打印过程）似乎受到了什么控制。

我们尝试将父进程的写入间隔设置为默认0，将子进程的读出时间设置为10秒一次读。结果上，我们能看到父进程在写入到一定次数后，停止了写入；子进程经过10秒后，会打印一大堆数据，直到打印完为止。从这个现象我们可以发现：

管道提供访问控制。管道本质上也是一个文件，那么也有其最大容量，当即将满时，暂停写入，等待空间；当管道为空时，读操作将进行等待，等待数据写入。

管道的特点：

1. 管道是用来父子关系的通信管道，是具有继承性的。

2. 管道可以提供进程间通信，提供访问控制。

3. 管道提供面向流试的通信服务（字节流——需要协议进行数据区分，后面我们再聊）。

4. 管道是基于文件的，文件的生命周期是随进程的，因此管道的生命周期也是随进程的。

5. 管道是单向通信，属于半双工通信的一种（半双工意思是永远只有一方在写，一方在读；全双工则可以双方在写，双方在读）

管道提供的访问控制：

2. 扩展：进程池

相关知识：

1.）unin32_t  类型

uint32_t是一个无符号32位整数类型，其意义在于表示一个无符号的32位整数，范围为0到4294967295。使用uint32_t类型可以确保数据的范围和位数符合要求，同时提高代码的可移植性和可读性。这样不管在任何一种型号的机器上sizeof取得的字节数都是4字节。ssize_t类型表示有符号的大小类型，通常用于表示某些系统调用的返回值或参数。它的大小通常与机器的字长相同，即32位机器上为4字节，64位机器上为8字节。ssize_t类型通常用于表示读取或写入的字节数。

2.）functiaonal 头文件

头文件 functional 是 C++ 标准库中的一个头文件，它包含了一些模板类和函数对象，用于支持函数式编程和泛型编程。这些类和函数对象可以帮助程序员编写更加灵活和抽象的代码，提高代码的可读性和可维护性。它还提供了一些算法和函数，如 std::function、std::bind、std::mem_fn 等，用于处理函数对象和函数指针，以及实现函数的组合、绑定和适配等功能。

因此，头文件 functional 的意义在于为 C++ 程序员提供了一些强大的工具，帮助他们更好地利用函数式编程和泛型编程的特性，提高代码的质量和效率。

首先什么是进程池？？

通俗的理解为，子进程替父进程进行数据处理。

父进程为了在主程序中完成任务，需要让子进程去处理数据，整理，整合数据，但为了提高创建父进程的效率，在父进程还未向子进程派发任务前，提前创建多个子进程，然后通过管道进行命令传递。

阶段一： 创建多个子进程

通过for循环创建多个子进程，并通过管道联系！

阶段二：构建命令方法

我们将方法单独一个文件，向管道中读取命令信息，然后根据命令信息调用对应的方法。

ProcessPool.cpp

#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include "Task.hpp"    //导入的方法文件
#include <time.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>using namespace  std;#define NAM_OF_PRO 5// 对命令进行处理
int waitcommand(int fd, bool& quit)
{uint32_t command = 0; // 取个32位的类型，用来获取4字节的数据ssize_t byte = read(fd,  &command,  sizeof command);// 如果父进程没有发送  if (byte == 0)  {quit = true;  // 命令管道开启  //你将他开启了return 0;}// 检测是否是4字节的命令消息1assert(byte == sizeof (uint32_t));return command;
}int main(){ // 阶段一 ； 创建多个子进程// 放pid 与 创建时所在的端口——fdvector<pair<pid_t, int>> slots; // slots 位置的意思 // 创建多个进程for (int i = 0; i < NAM_OF_PRO; i++){// 建立管道int pipefil[2] = {0};int ret = pipe(pipefil);assert(ret != -1); // 管道检测// 创建子进程pid_t fd = fork();if (fd == 0)  // 子进程{// 关闭写端close(pipefil[1]);while (1){   // 处理子进程任务//未接收数据，子进程进入阻塞状态// 阶段二：为子进程设置任务bool quit  = false;   // 管道是否被使用int k = waitcommand(pipefil[0], quit);  // 进入等待命令函数// cout << "K:" << k << " quit " << quit  << endl;if (quit)break;  // 目的：当我们开始关闭管道时，read()会读取0字节，这时让子进程退出tasklist[k]();  // 利用函数容器直接调用，方法函数} exit(1);}// 父进程，关闭读端close(pipefil[0]);// 同时记录子进程，pid数据slots.push_back({fd, pipefil[1]});}// 阶段二： 父进程向子进程传递命令信息// 要想达到子进程接受命令较合理——负载均衡。srand((unsigned)time(0) ^ getpid() * 233333);  // 位运算与相乘2333333，目的是：让数据更随机uint32_t command = 0;Taskloading();  // 对方法进行加载while (true){cout << "###########################################################\n";cout << "##     0. 退出  1. 查看方法表      2. 输入命令  #############\n";cout << "###########################################################\n";cout <<  "请输入：";cin >> command;//你往管道里面写数据的逻辑在哪里，定位到那里先//子进程正常执行了，你的问题是什么    if (command ==  1 ){print_task();// continue;} else if ( command == 2){cout << "Please imput command : ";cin >> command;if (!(command >= 0 && command < tasklist.size())){cout << "无效命令" << endl;continue;}size_t n = rand() % slots.size();  // 随机数选择子进程ssize_t ret = write(slots[n].second, &command, sizeof command);if ( ret != sizeof command){cout << " write  fail " << endl;}else{cout << " write success " << "  child pid:[" << slots[n].first << "] " << "执行："<< command << " " << task_inf[command]<< endl;}}else if (command == 0){cout << "退出成功" << endl;break;}else{cout << "无效命令,请重新输入" << endl;}sleep(1);}// 完成分配后，关闭管道for (const auto& e : slots){close(e.second);}// 回收子进程for (const auto& e : slots){waitpid(e.first, nullptr, 0); // 由于auto只遍历一次，所以不能用轮询回收}return 0;}

task.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <vector> 
#include <string>
#include <unordered_map>
#include <functional>
#include <unistd.h>using namespace std;typedef function<void()> func;vector<func> tasklist;   // 记录方法数
unordered_map<int, string> task_inf;  // 记录方法信息。void readMySQL()
{cout << " process : " << getpid() << " 访问数据库";
}void val()
{cout << " process : " << getpid() << " 进行数据运算";
}void save()
{cout << " process : " << getpid() << " 进行数据持久化";
}void cal()
{cout << " process : " << getpid() << " 进行数据加密";
}// 加载任务表
void Taskloading()
{task_inf.insert({tasklist.size(), "readMySQL"});tasklist.push_back(readMySQL);task_inf.insert({tasklist.size(), "val"});tasklist.push_back(val);task_inf.insert({tasklist.size(), "save"});tasklist.push_back(save);task_inf.insert({tasklist.size(), "cal"});tasklist.push_back(cal);cout << "方法加载成功！" << endl;
}// 打印方法表
void print_task()
{for (const auto& e : task_inf){cout << e.first << " " << e.second << endl;}
}int tasksize()
{return tasklist.size();
}

我给大家留了个坑，不知道大家有没有发现呢？ 我们在最后的时候调用不了函数

解析： 是进程的独立性导致的。  我们知道我们在已经对方法容器进行了加载，但是在fork之后父进程的加载，父进程进行了实时拷贝，子进程的tasklist任然是未加载状态，这时你就会问了，既然子进程访问的是一个空容器，那我们不就是非法访问了吗？？ 是的，我们没有看到报错是因为我们在父进程，子进程的报错不会导致父进程退出，我们通过 查看进程状态表即可发现，由于子进程的非法访问，导致子进程崩溃，成为了僵尸进程。

解决方法：

1， fork前，进行方法表加载。

2.   每个子进程都加载。

分析：父子进程，对共享的全局变量，都只是只读的权限，修改则要写实拷贝，因此，要么全局变量在fork之前就数据加载好；要么，在每个子进程都加载一份方法表。如果是我，我会一开始就加载好，这样就只要保存一份数据。

下一期：进程通信基础知识

结语

   本小节就到这里了，感谢小伙伴的浏览，如果有什么建议，欢迎在评论区评论，如果给小伙伴带来一些收获请留下你的小赞，你的点赞和关注将会成为博主创作的动力。