Linux 进程间通信之管道

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专题分栏： Linux

目录

一、通信

1、进程为什么要通信？

1.数据的类型

2.父进程和子进程算通信吗？

2、进程如何通信？

3、进程通信的常见方式？

二、管道 

1、概念

1.管道的4种情况：

2.管道的5种特征：

2、匿名管道

1.为什么父子进程会向同一个显示器终端打印数据？

2.进程默认会打开三个标准输入输出：0，1，2 ?

 3.为什么我们子进程主动close(0/1/2)，不影响父进程继续使用显示器文件呢？

4.什么是管道文件？

5.管道文件的特点？

6.管道文件结构图

7.父子既然要关闭不需要的fd，那为什么要打开？

8.可以不关不需要的fd吗？

9.如果想双向通信，怎么办？

10.为什么要单向通信？

11.管道的使用（*）

12.read、write的注意点：

read的返回值：

write：

13.命令行中的管道符号：‘ | ’

14.管道多次创建的示意图（*）

 3、命名管道

1.原理

2.匿名管道和命名管道的区别

3.怎么保证两个毫不相干的进程，打开了同一个文件呢？

4.命名管道操作 --- 系统调用篇

5.命名管道操作 --- 指令篇

三、管道的项目 --- 进程池

process_pool.cc

task.hpp

Makefile

---

一、通信

1、进程为什么要通信？

进程也是需要某种协同的，所以如何协同的前提是通信。

1.数据的类型

通知就绪的、单纯的要传递的数据、控制相关的信息...

2.父进程和子进程算通信吗？

答案：不算。

1、一直通信 和 能通信不是同一个概念。

2、父子进程只能读父子进程共享的变量内容，而且还不能进行修改，修改了就会发生写时拷贝，数据不一致。

2、进程如何通信？

进程间通信的前提是：

让两个进程能同时看到同一份资源（也就是操作系统的一段空间）。

因为不同的进程之间互相是独立的，所以不同的进程独自创建的空间，其他进程是不知道的。所以需要第三方的协助（也就是操作系统）。

但是，操作系统不能被用户直接的访问资源，所以操作系统需要提供对应的系统调用。

如果对于下列的图不明白的话，建议去看看进程相关的知识。

这两篇博客讲的都是和进程相关的内容。

Linux 冯诺依曼体系、操作系统、进程概念、进程状态、进程切换-CSDN博客

Linux 进程优先级、程序地址空间、进程控制-CSDN博客

3、进程通信的常见方式？

二、管道 

1、概念

1.管道的4种情况：

1、如果管道内部时空的 && write fd没有关闭，读取条件不具备，读进程会被阻塞 --- wait --- 等到读取条件具备 --- 再进行写入 --- 之后再进行读数据。管道空且写未关，读阻塞

2、如果管道被写满 && 不读且没有关闭，写条件不具备，写进程会被阻塞 --- wait --- 等到写条件具备 --- 写入数据。管道满且读未关，写阻塞

3、管道一直在读&&写端关闭了wfd，读端read返回值会读到0，表示读到文件结尾。读且写关闭，读到文件尾，结束

4、rfd直接关闭，写端wfd一直进行写入。这种管道叫broken pipe，os不做浪费时空的事情，os会杀掉对应的进程，给目标发送（13 SIGPIPE）信号。写且读关闭，写进程被杀掉。

2.管道的5种特征：

1、匿名管道：只能用来进行具有父子进程之间通信。（这里的父子进程是泛泛的，爷孙进程也可以）。

2、管道内部，自带进程之间的同步机制。同步：多执行流执行代码的时候，具有明显的顺序性。

3、管道的生命周期是随进程的。

4、管道在通信的时候，是面向字节流的。 write的次数和读取的次数不是一一匹配的。

5、管道的通信模式，是一种特殊的半双工模式。（半双工：在同一时刻，只能有一个方向的数据传输）

2、匿名管道

1.为什么父子进程会向同一个显示器终端打印数据？

因为父子进程代码和数据在没有修改的时候是属于共享的，所以子进程创建的时候，会直接将父进程的task_struct拷贝一份，当然，也包括其中的文件描述符表，所以只要父进程的文件描述符表中存储了标准输入、标准输出、标准错误，子进程也就会有标准输入、标准输出、标准错误。

bash进程可以想象成树形结构的根节点。所以只要将bash的文件描述符表设置好，所有的进程就都会在运行的之后默认打开这三个标准文件。

2.进程默认会打开三个标准输入输出：0，1，2 ?

bash打开了，所有子进程默认也就打开了，我们只需要做好约定即可！

 3.为什么我们子进程主动close(0/1/2)，不影响父进程继续使用显示器文件呢？

因为，struct file中也有内存级引用计数。

父子同时打开了显示器文件，所以显示器文件的引用计数为2，当关闭了子进程的显示器文件，引用计数减一，只有当引用计数为0的时候，才会释放资源。

struct file -> ref_count; if (ref_count==0) 释放文件资源。

4.什么是管道文件？

管道文件：管道文件是一种特殊的文件，它存在于内存中，而不是磁盘上。它允许一个进程的输出直接作为另一个进程的输入，从而实现进程间的数据交换和协同工作。

5.管道文件的特点？

• 管道只允许单向通信。

• 管道文件不需要刷新到磁盘中（所以需要单独设计通信接口）。

6.管道文件结构图

7.父子既然要关闭不需要的fd，那为什么要打开？

为了让子进程继承下去。

8.可以不关不需要的fd吗？

可以，但是建议关闭，因为可能会误写。

9.如果想双向通信，怎么办？

可以建立两个管道。

一个管道，父读子写；一个管道父写子读。

10.为什么要单向通信？

因为简单，并且保证数据的安全性。

公共资源可能会存在被多个进程同时访问的情况。数据不一致问题。比如说子进程写了一半，父进程就开始读。

11.管道的使用（*）

#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>  // errno.h
#include <cstring> // string.h
#include <unistd.h>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>void subprocess_write(int);
void fatherprocess_read(int);// 子写父读
int main()
{// 创建管道int pipefd[2] = {0};int exitcode = pipe(pipefd);std::cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << " pipefd[1]: " << pipefd[1] << std::endl;// 创建子进程int id = fork();// 子写父读if (id == 0){std::cout << "子进程关闭不需要的fd, 准备发消息" << std::endl;sleep(1);// child// 关闭其他权限close(pipefd[0]);// 子进程写subprocess_write(pipefd[1]);close(pipefd[1]);exit(0);}std::cout << "父进程进程关闭不需要的fd, 准备收消息" << std::endl;sleep(1);// father// 关闭不需要的fdclose(pipefd[1]);// 父进程读fatherprocess_read(pipefd[0]);close(pipefd[0]);pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);if (rid > 0){std::cout << "wait sucessfully\n" << std::endl;}return 0;
}std::string other()
{static int cnt = 0;std::string messageid = std::to_string(cnt);cnt++;std::string stringid = std::to_string(getpid());std::string message = messageid + " my pid is " + stringid;return message;
}
void subprocess_write(int wfd)
{std::string message = "i am child: ";while (true){std::string info = message + other();write(wfd, info.c_str(), info.size());// 写入管道的时候没有写入'\0'sleep(1);}
}
void fatherprocess_read(int rfd)
{char inbuffer[1024] = {0};while (true){std::cout << "---------------------------------" << std::endl;ssize_t n = read(rfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1);if(n > 0){inbuffer[n] = 0;std::cout  << inbuffer << std::endl;}else if (n == 0){std::cout << "读端关闭" << std::endl;break;}else {std::cout << "读入失败" << std::endl;break;}}
}

12.read、write的注意点：

read的返回值：

• 返回值 > 0，读取成功，且返回值是读取的字节数。
• 返回值 = 0，读取结束。写端关闭，导致读端读到文件尾结束。
• 返回值 < 0，读取失败。

write：

如果每次写的数据的大小 小于 pipe_buf(<= 512Byte，在Linux中是4096Byte)，写入操作的过程是原子的。（原子的意思就是不可再分，证明这个操作是线程安全的）

13.命令行中的管道符号：‘ | ’

命令行中的 |，就是匿名管道，‘|’ 左侧命令的stdout 作为 右侧命令的stdin。

14.管道多次创建的示意图（*）

创建了两个管道：

创建了三个管道：

 3、命名管道

1.原理

是不是感觉很眼熟，和匿名管道的文件结构图差不多，其实就是差不多。

只不过这两个管道有一个非常显著的不同。

2.匿名管道和命名管道的区别

• 匿名管道：两个通信的进程之间是有血缘关系的。（父子进程，爷孙进程...）
• 命名管道：两个通信的进程之间没有血缘关系。
• 匿名管道：不需要文件路径。
• 命名管道：需要文件路径。

3.怎么保证两个毫不相干的进程，打开了同一个文件呢？

通过文件的路径来确认。每一个文件，都有文件路径（唯一性）。

4.命名管道操作 --- 系统调用篇

5.命名管道操作 --- 指令篇

三、管道的项目 --- 进程池

有 n 个管道，n 个任务，要保证每条管道都负载均衡。

process_pool.cc

#include "Task.hpp"// 父进程写，子进程读
class Channel
{
private:int _wfd;int _id;public:Channel(int wfd, int id): _wfd(wfd), _id(id){}void close_subprocess(){close(_wfd);}int get_wfd(){return _wfd;}int get_id(){return _id;}
};void work(int rfd);
void create_ChannelAndSubprocess(std::vector<Channel> *channels, int child_number, work_t work);
int next_channel(std::vector<Channel> &channels);
void send_command(Channel &channel, int option_task);
void ctrl_channel(std::vector<Channel> &channels);
void clean_ChannelAndSubprocess(std::vector<Channel> *channels);
int main(int argv, char* argc[])
{std::vector<Channel> channels;load_task();if (argv != 2)return -1;int num = std::stoi(argc[1]);// 1、创建信道和子进程create_ChannelAndSubprocess(&channels, num, work);// 2、通过信道控制子进程ctrl_channel(channels);// 3、回收管道和子进程clean_ChannelAndSubprocess(&channels);return 0;
}void create_ChannelAndSubprocess(std::vector<Channel> *channels, int child_number, work_t work)
{for (int i = 0; i < child_number; i++){int pipefd[2] = {0};int exit_code = pipe(pipefd);if (exit_code < 0){std::cout << "errno : " << exit_code << std::endl;exit(1);}pid_t id = fork();if (id == 0){// child;close(pipefd[1]);work(pipefd[0]);exit(0);}// fatherclose(pipefd[0]);(*channels).emplace_back(pipefd[1], id);}std::cout << "创建了：" << channels->size() << "个信道和子进程" << std::endl;
}
int next_channel(std::vector<Channel> &channels)
{static int count = 0;int option = count;count++;count %= channels.size();return option;
}
void send_command(Channel &channel, int option_task)
{write(channel.get_wfd(), &option_task, sizeof(option_task));
}
void ctrl_channel(std::vector<Channel> &channels)
{// 选择任务srand(time(nullptr));int n = task_number;while (n -- ){int option_task = rand() % task.size(); // task[option_task]// 选择信道int option_channel = next_channel(channels); // channels[option_task]// 发送任务send_command(channels.at(option_channel), option_task);sleep(1);}
}
void clean_ChannelAndSubprocess(std::vector<Channel> *channels)
{for (auto& channel:*channels){channel.close_subprocess();}for (auto& channel:*channels){waitpid(channel.get_id(), 0, 0);}
}

task.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>typedef void (*task_t)();
typedef void (*work_t)(int);const int size = 4096;
const int task_number = 7;
// 加载
void download()
{std::cout << "This is a downlaod task!" << std::endl;
}
// 打印
void print()
{std::cout << "This is a print task!" << std::endl;
}
// 刷新
void flush()
{std::cout << "This is a flush task!" << std::endl;
}std::vector<task_t> task;void load_task()
{task.push_back(download);task.push_back(print);task.push_back(flush);
}
void excute_task(int option_task)
{if (option_task < 0 || option_task >= task.size())return;task.at(option_task)();
}void work(int rfd)
{int t = task_number;int option_task = 0;int n = read(rfd, &option_task, sizeof(option_task));if (n > 0){excute_task(option_task);std::cout << "--------------------------------" << std::endl;}
}

Makefile

process_pool:process_pool.ccg++ $^ -o $@ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -rf process_pool

谢谢大家！