【linux进程间通信(一)】匿名管道和命名管道

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1. 前言

众所周知,进程运行是具有独立性的,
想要进程间进行通信就要打破这种
独立性,而进程间通信的本质其实是
让不同的进程看见同一份资源!

本章重点:

本篇文章会介绍进程间通信中常见
的几种方式,并且着重讲解匿名管道
和命名管道的这两种通信手段的原理
和代码的实现.

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2. 进程间通信的方法

首先通信种类分为三大类:

• 管道
• system V
• POSIX

当然网络通信的本质其实也是进程
间的通信,但是本篇文章的重点是
利用管道通信!!!

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3. 管道的简单介绍

首先要回答什么是管道,在学习
Linux指令时我们使用过竖划线 |
也就是管道,把从一个进程连接
到另一个进程的数据流称为“管道”

在管道通信中,管道的本质其实就是
一个被系统打开的文件,然而用管道
进行通信的本质就是让不同的进程
看见相同的资源(文件)

并且管道是单向通信的,即一个进程
不能同时从一个管道中读取和写入,
读取和写入要对应两个不同的管道!

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4. 匿名管道

对于匿名管道来说,通常用于父子
进程之间的通信,在父进程使用
pipe创建好管道后,再使用fork创建
子进程,此时子进程会将父进程的
文件描述符表给拷贝过来,也就天然
的拥有这两个管道文件了!

并且此时我们会面临两个问题:

1. 读取方将文件关闭了会发送什么?
2. 读取方在文件中没有数据时会干什么?

• 读端关闭后,写端进程会终止
• 当管道无数据时读端会阻塞

有了上面的经验后,现在可以编码验证一下:

int main()
{//创建管道int pipefd[2]={0}; //0下标表示读取端,1下标表示写入端int n = pipe(pipefd);assert(n!=-1);(void)n;
#ifdef DEBUG//条件编译cout<<"[0]: "<<pipefd[0]<<" "<<"[1]: "<<pipefd[1]<<endl;
#endif//创建子进程pid_t id = fork();assert(id!=-1);if(id==0)//子进程, 构建单向通信{close(pipefd[1]);char buffer[1024];while(1){ssize_t s = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);if(s>0){buffer[s]=0;cout<<"father# "<<buffer<<endl;}else//read的返回值等于0代表父进程的管道文件已经close了{cout<<"写入结束,子进程退出";break;}}exit(0);}//父进程写入,子进程读取close(pipefd[0]);string str = "我在给子进程发信息";int count=0;char send_buffer[1024];while(count<=5){//构建一个变化的字符串snprintf(send_buffer, sizeof(send_buffer),"%s[%d]: %d",str.c_str(),getpid(),count++);//往缓冲区里写入数据//写入到管道中write(pipefd[1],send_buffer,sizeof(send_buffer));sleep(1);}close(pipefd[1]);pid_t ret = waitpid(id,NULL,0);assert(ret > 0);return 0;
}

总结管道的特点:

• 管道常用于父子进程间的通信
• 管道是面向字节流的服务
• 管道是基于文件的,管道的生命周期随进程
• 管道是单向通信的
• 写快读慢,写满管道后不能再写了
• 写慢读快,管道没有数据时,读端要等待
• 写端关闭,读端会读到0,标识结束
• 读端关闭,写端继续写会终止进程

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5. 命名管道

匿名管道的一个限制就是必须是在
有血缘关系的进程间才能通信,使用
命名管道可以解决这个问题

匿名管道和命名管道的区别:

• 匿名管道由pipe函数创建并打开。
• 命名管道由mkfifo函数创建，打开用open
• FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义。

命名管道的打开规则:

• 如果当前打开操作是为读而打开FIFO时

1. O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
2. O_NONBLOCK enable：立刻返回成功

• 如果当前打开操作是为写而打开FIFO时

3. O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
4. O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO

命名管道简单通信:

读端代码:

#define SIZE 1024
#define MODE 0666
string ipcpath = "./fifo.ipc";
static void getmessage(int fd)
{//编写通信代码char buffer[SIZE];while(1){memset(buffer,'\0',sizeof(buffer));ssize_t s = read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);if(s>0)//读取成功{cout<<"["<<getpid()<<"] "<<"client say: "<<buffer<<endl;}else if(s==0)//写端关闭,并且读到end{cerr<<"["<<getpid()<<"]"<<"read end"<<endl;break;}else//读取失败{perror("read");break;}}
}
int main()
{//创建管道文件int n = mkfifo(ipcpath.c_str(),MODE);if(n<0){perror("mkfifo");exit(1);}//文件操作int fd = open(ipcpath.c_str(),O_RDONLY);//这里必须等待client进程将此管道文件打开后才能执行下面的代码if(fd<0){perror("open");exit(2);}for(int i=0;i<4;i++){int id = fork();if(id==0){getmessage(fd);exit(0);}}close(fd);return 0;
}

写端代码:

#define SIZE 1024
#define MODE 0666
string ipcpath = "./fifo.ipc";
int main()
{//client不用自己创建管道文件,只需获取文件即可int fd = open(ipcpath.c_str(),O_WRONLY);if(fd<0){perror("open");exit(1);}//通信过程string buffer;while(1){cout<<"please Enter message: ";getline(cin,buffer);write(fd,buffer.c_str(),buffer.size());}close(fd);return 0;
}

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6. 总结以及拓展

虽然匿名管道和命名管道已经包含了
对于有血缘关系和无血缘关系的进程
的通信,但是毕竟调用read和write这些
系统调用接口会不断的在用户态和内核
态进行切换,比较消耗资源,所以管道不是
最好的!

拓展: 为什么读端关闭后,写端进程会终止?

这是因为当读端关闭后,写端再使用
write操作会产生SIGPIPE信号,此进
程收到此信号进而会终止进程,可以
使用捕捉信号的方式验证这一结论

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🔎 下期预告:共享内存通信方式 🔍