【Linux-进程间通信】匿名管道+4种情况+5种特征

匿名管道

匿名管道（Anonymous Pipes）是Unix和类Unix操作系统中的一种通信机制，用于在两个进程之间传递数据。匿名管道通常用于命令行工具之间的数据传递；

匿名管道的工作原理是创建一个临时文件，该文件被称为管道文件，它仅存在于内存中，不持久化到磁盘。当一个进程创建一个匿名管道时，它会打开一个写入端和一个读取端。写入端通常由|运算符创建，而读取端则通过<运算符

匿名管道的一个关键特性是它是单向的，即只能从写入端到读取端传递数据。此外，一旦管道中的数据被读取，管道就会被关闭，不能再次使用。

【问题1】如果我想双向通信呢？两个管道

【问题2】为什么要单向通信？为了简单，因为我们想要单向通信，使用我们叫它管道

pipe

在C语言中，pipe函数是用于创建一个匿名管道（也称为管道）的标准库函数。它允许进程之间通过管道进行通信。pipe函数的声明如下：

 

这个函数的作用是在调用进程和其子进程之间创建一个匿名管道。pipefd是一个整数数组，包含两个整数元素，分别用于读取和写入管道。

• pipefd[0]：这是管道的读取端，可以通过它从管道中读取数据。

• pipefd[1]：这是管道的写入端，可以通过它将数据写入管道。

pipe函数的返回值：

• 如果成功，pipe函数返回0。

• 如果失败，pipe函数返回-1，并设置errno以指示错误。

成功调用pipe函数后，返回的两个文件描述符pipefd[0]和pipefd[1]可以用于后续的读取和写入操作。

从上图可以看出，当需要进行通信时，需要通过pipefd[1]文件描述符，将数据拷贝到管道文件中；再通过pipefd[0]文件描述符，将管道文件中的数据拷贝到用户空间中。因而，管道通信时，需要产生两次拷贝。

我们简单测试一下返回的文件描述符

testpipe.cc

#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>  // errno.h
#include <cstring> // string.h
#include <unistd.h>int main(){//1.创建管道int pipefd[2];int n = pipe(pipefd);//输出型参数，rfd，wfdif(n != 0){std::cerr << "errno: " << errno << ": "<< "errstring : " << strerror(errno) << std::endl;return 1;}std::cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << ", pipefd[1]: " << pipefd[1] << std::endl;return 0;
}

 

 接下来让子进程写入数据，父进程读数据，在此期间会关闭不需要的fd

#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>  // errno.h
#include <cstring> // string.h
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>const int size = 1024;
std::string getOtherMessage()
{static int cnt = 0;std::string messageid = std::to_string(cnt); // stoi -> string -> intcnt++;pid_t self_id = getpid();std::string stringpid = std::to_string(self_id);std::string message = "messageid: ";message += messageid;message += " my pid is : ";message += stringpid;return message;
}// 子进程进行写入
void SubProcessWrite(int wfd)
{int pipesize = 0;std::string message = "father, I am your son prcess!";char c = 'A';while (true){std::string info = message + getOtherMessage(); // 这条消息，就是我们子进程发给父进程的消息write(wfd, info.c_str(), info.size()); // 写入管道的时候，没有写入\0, 有没有必要？没有必要std::cerr << info << std::endl;sleep(2); // 子进程写慢一点// write(wfd, &c, 1);// std::cout << "pipesize: " << ++pipesize << " write charator is : "<< c++ << std::endl;// // if(c == 'G') break;// sleep(1);}std::cout << "child quit ..." << std::endl;
}// 父进程进行读取
void FatherProcessRead(int rfd)
{char inbuffer[size]; // c99 , gnu g99while (true){//sleep(2);std::cout << "-------------------------------------------" << std::endl;// sleep(500);ssize_t n = read(rfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1); // sizeof(inbuffer)->strlen(inbuffer);if (n > 0){inbuffer[n] = 0; // == '\0'std::cout  << inbuffer << std::endl;}else if (n == 0){// 如果read的返回值是0，表示写端直接关闭了，我们读到了文件的结尾std::cout << "client quit, father get return val: " << n << " father quit too!" << std::endl;break;}else if(n < 0){std::cerr << "read error" << std::endl;break;}// sleep(1);break;}
}int main(){//1.创建管道int pipefd[2];int n = pipe(pipefd);//输出型参数，rfd，wfdif(n != 0){std::cerr << "errno: " << errno << ": "<< "errstring : " << strerror(errno) << std::endl;return 1;}std::cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << ", pipefd[1]: " << pipefd[1] << std::endl;// 2. 创建子进程pid_t id = fork();if (id == 0){std::cout << "子进程关闭不需要的fd了, 准备发消息了" << std::endl;sleep(1);// 子进程 --- write// 3. 关闭不需要的fdclose(pipefd[0]);SubProcessWrite(pipefd[1]);close(pipefd[1]);exit(0);}// 3. 父进程读入数据// 关闭不需要的fdclose(pipefd[1]);FatherProcessRead(pipefd[0]);std::cout << "5s, father close rfd" << std::endl;sleep(5);close(pipefd[0]);int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if (rid > 0){std::cout << "wait child process done, exit sig: " << (status&0x7f) << std::endl;std::cout << "wait child process done, exit code(ign): " << ((status>>8)&0xFF) << std::endl;}return 0;
}

管道的四种情况 和5种特征

【特征一】匿名管道：只能用来进行具有血缘关系的进程之间，进行通信，常用于父子进程之间通信

【情况1️⃣】如果管道内部是空的 并且 write fd没有关闭，读取条件不具备，读进程会被阻塞，解决方案，等待读取条件具备，也就是写入数据

【特征二】管道内部，自带进程之间同步的机制-->多执行流执行代码的时候，具有明显的顺序性

我们让子进程写慢一点，父进程持续去读

 

 

观察到的现象就是，每隔5秒打印一次，也就是父进程读取要和子进程一致，子进程慢了，父进程就要读慢点，子进程写一条，父进程读一条；在5s期间，父进程就在等待子进程写数据，也就是读进程被阻塞

【情况2️⃣】管道被写满，并且父进程不读且不关闭；管道被写满会被阻塞，如果要恢复正常就需要父进程读取数据（让写条件具备）

我们接下来让子进程疯狂写入，父进程不读，也就是给父进程休眠500s观察情况

 

现象就是子进程写到第65536就一直卡在哪里，我们父进程一直在，但是不读，这里我们也就可以计算出管道文件的大小65536/1024 = 64kb，也就是ubuntu下22.04管道大小是64kb

子进程写满之后就会被阻塞

【情况3️⃣】管道一直在读但是写端关闭了，读端read返回值会读到0，表示读到了文件结尾

我们让子进程写一条就关闭，父进程一直去读

 这样读端就会返回0，表示读到了文件结尾

【情况4️⃣】读端直接关闭，写端一直写入-->写端进程会被操作系统直接使用13号信号关掉，相当于进程出现了异常

 

【特征三】管道文件的生命周期是随进程的

【特征四】管道文件在通信的时候，是面向字节流的，写入的次数和读取的次数不是一一匹配的

如何理解特征四？

面向字节流：管道文件在通信时，数据是以字节为单位进行传输的。这意味着写入端可以一次写入多个字节，而读取端可以一次读取多个字节，或者可以分多次读取。

写入次数和读取次数不是一一匹配的：由于管道是半双工的，写入端和读取端的数据传输不是同步进行的。这意味着，写入端可能已经写入了多个字节，而读取端还没有开始读取，或者读取端已经读取了部分数据，而写入端还在继续写入。

数据传输是异步的：管道通信是异步的，这意味着写入端和读取端之间的数据传输不一定是连续的。写入端可以写入数据，然后继续执行其他操作，而读取端可以等待数据准备好后再读取。

数据缓冲：管道内部通常有一个缓冲区，用于存储写入端写入的数据。当读取端开始读取时，它会从缓冲区中读取数据。如果缓冲区满了，写入端可能会阻塞，直到有空间可用。如果缓冲区空了，读取端可能会阻塞，直到有数据可读。

管道通信的完整性：尽管写入次数和读取次数不是一一匹配的，但管道通信的完整性得到了保证。写入端写入的数据最终会被读取端读取，反之亦然。

【特征五】管道的通信模式，是一种特殊的半双工模式

在计算机网络和通信领域，半双工（Half-Duplex）和全双工（Full-Duplex）是描述通信设备或通道能否同时进行双向通信的术语。

半双工（Half-Duplex）：

• 半双工通信是指通信的双方可以交替地发送和接收数据，但不能同时进行。

• 举个例子，对讲机就是半双工的，当一方正在说话时，另一方必须等待，不能同时说话。

• 在半双工模式下，通信通道的带宽利用率较低，因为一方在发送数据时，另一方无法发送数据。

全双工（Full-Duplex）：

• 全双工通信是指通信的双方可以同时发送和接收数据，就像电话通话一样。

• 在全双工模式下，通信通道的带宽利用率较高，因为双方可以同时进行通信，而不需要等待。

• 全双工通常需要两个独立的通信通道，例如两个独立的物理线路，或者一个物理线路上的两个独立的逻辑通道。

总结来说，半双工通信需要轮流发送和接收数据，而全双工通信可以同时进行双向通信。全双工通信通常更高效，因为它允许多个设备或通道同时工作，而不需要等待。