【Linux】进程间通信(匿名管道)

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目录

进程间通信目的 

进程间通信发展

 进程间通信分类

管道

System V IPC 

POSIX IPC 

管道 

匿名管道

使用管道通信的demo 

 进程池实现

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前言

    💬 hello! 各位铁子们大家好哇。

             今日更新了Linux进程间通信的内容
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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。 

进程间通信发展

• 管道
• System V进程间通信
• POSIX进程间通信

进程间通信的前提：先让不同的进程，看到同一份(操作系统)资源(”一段内存“)。

进程间通信一定是某一个进程先需要通信，让OS创建一个共享资源。此时OS必须提供很多系统调用。

OS创建的共享资源的不同，系统调用接口也就不同，所以进程间通信会有不同的种类。

 进程间通信分类

管道

• 匿名管道pipe
• 命名管道 

System V IPC 

• System V 消息队列
• System V 共享内存
• System V 信号量 

POSIX IPC 

• 消息队列
• 共享内存
• 信号量
• 互斥量
• 条件变量
• 读写锁 

管道 

匿名管道

一个进程将同一个文件打开两次，一次以写方式打开，另一次以读方式打开。此时会创建两个struct file，而文件的属性会共用，不会额外创建。

如果此时又创建了子进程，子进程会继承父进程的文件描述符表，指向同一个文件。我们把上面父子进程都看到的文件，叫管道文件。

管道只允许单向通信。

管道里的内容不需要刷新到磁盘。

未来要用父进程写，子进程读的话，在fork之后，各自关闭掉不用的文件描述符即可。 不用的描述符建议关闭，因为未来可能会误用，或者导致文件描述符泄露。

功能:创建匿名管道

参数：

pipefd[2]：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端。它是输出型参数。

返回值:成功返回0，失败返回错误代码

使用管道通信的demo 

 上图是创建管道，pipe的使用的例子。

下面是测试的完整代码：

#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); cnt++;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::cerr << "+++++++++++++++++++++++++++++++++" << std::endl;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,std::cerr << info << std::endl;// sleep(1); // 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);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)  //读取失败{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;sleep(1);// 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]);// if(fork() > 0) exit(0);SubProcessWrite(pipefd[1]);close(pipefd[1]);exit(0);}std::cout << "父进程关闭不需要的fd了, 准备收消息了" << std::endl;sleep(1);// 父进程 --- read// 3. 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：

1. 如果管道内部是空的，并且写端fd没有关闭，此时读取条件不具备，读进程会被阻塞，读进程会等待，直到写端写入数据。
2.  如果管道被写满，并且读端fd不读且没有关闭，此时写进程会被阻塞，写端会等待，直到数据被读取。
3. 如果管道一直在读并且写端关闭了wfd，读端read返回值会读到0，表示读到文件结尾。
4. 如果读端rfd直接关闭，写端wfd一直在写入，那么写端进程会被OS直接用13号信号关掉，相当于进程出现了异常。

管道的特征:

1. 匿名管道：只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
2. 管道文件的生命周期是随进程的
3. 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）
4. 管道文件在通信的时候，是面向字节流的。（写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，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道

 

• 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。
• 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。 

原子的意思就是这次的写入操作不会被中断。写的时候，不会写一半就被读走。在读方看来，要么不写，要么写完了。 

当shell执行用管道连接起来的多条命令时，shell内部会把他们各自变成一个进程，他们是同时启动的。他们的父进程都是bash，他们是兄弟关系。所以命令行上的 | 就是匿名管道。 

 进程池实现

 ProcessPool.cc

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include "Task.hpp"// void work(int rfd)
// {
//     while (true)
//     {
//         int command = 0;
//         int n = read(rfd, &command, sizeof(command));
//         if (n == sizeof(int))
//         {
//             std::cout << "pid is : " << getpid() << " handler task" << std::endl;
//             ExcuteTask(command);
//         }
//         else if (n == 0)
//         {
//             std::cout << "sub process : " << getpid() << " quit" << std::endl;
//             break;
//         }
//     }
// }// master
class Channel
{
public:Channel(int wfd, pid_t id, const std::string &name): _wfd(wfd), _subprocessid(id), _name(name){}int GetWfd() { return _wfd; }pid_t GetProcessId() { return _subprocessid; }std::string GetName() { return _name; }void CloseChannel(){close(_wfd);}void Wait(){pid_t rid = waitpid(_subprocessid, nullptr, 0);if (rid > 0){std::cout << "wait " << rid << " success" << std::endl;}}~Channel(){}private:int _wfd;pid_t _subprocessid;std::string _name;
};// 形参类型和命名规范
// const &: 输入
// & : 输入输出型参数
// * : 输出型参数
//  task_t task: 回调函数
void CreateChannelAndSub(int num, std::vector<Channel> *channels, task_t task)
{for (int i = 0; i < num; i++){// 1. 创建管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);if (n < 0)exit(1);// 2. 创建子进程pid_t id = fork();if (id == 0){if (!channels->empty())   {// 第二次之后，开始创建的管道要关闭继承下来的写端for(auto &channel : *channels) channel.CloseChannel();}// child - readclose(pipefd[1]);dup2(pipefd[0], 0); // 将管道的读端，重定向到标准输入task();close(pipefd[0]);exit(0);}// 3.构建一个channel名称std::string channel_name = "Channel-" + std::to_string(i);// 父进程close(pipefd[0]);// a. 子进程的pid b. 父进程关心的管道的w端channels->push_back(Channel(pipefd[1], id, channel_name));}
}// 0 1 2 3 4 channelnum
int NextChannel(int channelnum)
{static int next = 0;int channel = next;next++;next %= channelnum;return channel;
}void SendTaskCommand(Channel &channel, int taskcommand)
{write(channel.GetWfd(), &taskcommand, sizeof(taskcommand));
}
void ctrlProcessOnce(std::vector<Channel> &channels)
{sleep(1);// a. 选择一个任务int taskcommand = SelectTask();// b. 选择一个信道和进程int channel_index = NextChannel(channels.size());// c. 发送任务SendTaskCommand(channels[channel_index], taskcommand);std::cout << std::endl;std::cout << "taskcommand: " << taskcommand << " channel: "<< channels[channel_index].GetName() << " sub process: " << channels[channel_index].GetProcessId() << std::endl;
}
void ctrlProcess(std::vector<Channel> &channels, int times = -1)
{if (times > 0){while (times--){ctrlProcessOnce(channels);}}else{while (true){ctrlProcessOnce(channels);}}
}void CleanUpChannel(std::vector<Channel> &channels)
{// int num = channels.size() -1;// while(num >= 0)// {//     channels[num].CloseChannel();//     channels[num--].Wait();// }for (auto &channel : channels){channel.CloseChannel();channel.Wait();}// // 注意// for (auto &channel : channels)// {//     channel.Wait();// }
}// ./processpool 5
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2){std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " processnum" << std::endl;return 1;}int num = std::stoi(argv[1]);LoadTask();std::vector<Channel> channels;// 1. 创建信道和子进程CreateChannelAndSub(num, &channels, work1);// 2. 通过channel控制子进程ctrlProcess(channels, 5);// 3. 回收管道和子进程. a. 关闭所有的写端 b. 回收子进程CleanUpChannel(channels);// sleep(100);return 0;
}

 如上图，左边是父进程，右边是子进程。创建子进程的时候，从第二个子进程开始，创建的时候会继承父进程之前的文件描述符，也就会连接到进程1的写端。随着子进程的增加，越来越多描述符指向先前的管道的写端 ，就会导致要关闭管道时，写端没关完，读端读不到，就会造成阻塞，进程就退出不了。所以要在创建第二个及以后的进程的时候，把继承的写端关掉，如下图：

 Task.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <ctime>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>#define TaskNum 3typedef void (*task_t)(); // task_t 函数指针类型void Print()
{std::cout << "I am print task" << std::endl;
}
void DownLoad()
{std::cout << "I am a download task" << std::endl;
}
void Flush()
{std::cout << "I am a flush task" << std::endl;
}task_t tasks[TaskNum];void LoadTask()
{srand(time(nullptr) ^ getpid() ^ 17777);tasks[0] = Print;tasks[1] = DownLoad;tasks[2] = Flush;
}void ExcuteTask(int number)
{if (number < 0 || number > 2)return;tasks[number]();
}int SelectTask()
{return rand() % TaskNum;
}void work()
{while (true){int command = 0;int n = read(0, &command, sizeof(command));if (n == sizeof(int)){std::cout << "pid is : " << getpid() << " handler task" << std::endl;ExcuteTask(command);}else if (n == 0){std::cout << "sub process : " << getpid() << " quit" << std::endl;break;}}
}void work1()
{while (true){int command = 0;int n = read(0, &command, sizeof(command));if (n == sizeof(int)){std::cout << "pid is : " << getpid() << " handler task" << std::endl;ExcuteTask(command);}else if (n == 0){std::cout << "sub process : " << getpid() << " quit" << std::endl;break;}}
}void work2()
{while (true){int command = 0;int n = read(0, &command, sizeof(command));if (n == sizeof(int)){std::cout << "pid is : " << getpid() << " handler task" << std::endl;ExcuteTask(command);}else if (n == 0){std::cout << "sub process : " << getpid() << " quit" << std::endl;break;}}
}