【Linux】IPC 进程间通信（一）：管道（匿名管道命名管道）

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1. 初识进程间通信 🚀

1.1 进程间通信的目的

1. 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
2. 资源共享：多个进程之间共享同样的资源
3. 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）
4. 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

1.2 为什么要有进程间通信 ❓

为了实现两个或者多个进程实现数据层面的交互，因为进程独立性的存在，导致进程通信的成本比较高

很多场景下需要多个进程协同工作来完成要求。如下：

•  这条命令首先使用 cat  读取 log.txt 的内容，然后通过管道 (|) 将输出传递给 grep 命令。grep 用于搜索指定的字符串。
• grep Hello:  这个命令搜索包含 "Hello" 的行。

1.3 进程间通信的方式

管道（通过文件系统通信）

• 匿名管道pipe
• 命名管道 

System V IPC （聚焦在本地通信）

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

POSIX IPC （让通信可以跨主机）

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

注意：

•  System V 标准需要重新构建操作系统代码来实现进程通信，比较繁琐。
• 在 System V 标准出现之前，而「管道通信」是直接复用现有操作系统的代码
• 现在本地通信已经被网络通信取代，所以进程间通信方式只重点介绍管道通信和共享内存通信

知识补充：

（1）进程间通信的本质：必须让不同的进程看到同一份“资源”（资源：特定形式的内存空间）

（2）这个资源谁提供？一般是操作系统

• 为什么不是我们两个进程中的一个呢？假设一个进程提供，这个资源属于谁？
• 这个进程独有，破坏进程独立性，所以要借用第三方空间

（3）我们进程访问这个空间，进行通信，本质就是访问操作系统！

• 进程代表的就是用户，资源从创建，使用（一般），释放--系统调用接口！

2. 匿名管道 🔍

 2.1 什么是管道

进程可以通过 读/写 的方式打开同一个文件，操作系统会创建两个不同的文件对象 file，但是文件对象 file 中的内核级缓冲区、操作方法集合等并不会额外创建，而是一个文件的文件对象的内核级缓冲区、操作方法集合等通过指针直接指向另一个文件的内核级缓冲区、操作方法集合等。

• 这样以读方式打开的文件和以写方式打开的文件共用一个 内核级缓冲区

• 进程通信的前提是不同进程看到同一份共享资源

所以根据上述原理，父子进程可以看到同一份共享资源：被打开文件的内核级缓冲区。父进程向被打开文件的内核级缓冲区写入，子进程从被打开文件的内核级缓冲区读取，这样就实现了进程通信！

• 这里也将被打开文件的内核级缓冲区称为 「 管道文件」，而这种由文件系统提供公共资源的进程间通信，就叫做「 管道 」

注意：

此外，管道通信只支持单向通信，即只允许父进程传输数据给子进程，或者子进程传输数据给父进程。

• 当父进程要传输数据给子进程时，就可以只使用以写方式打开的文件的管道文件，关闭以读方式打开的文件，
• 同样的，子进程只是用以读方式打开的文件的管道文件，关闭掉以写方式打开的文件。
• 父进程向以写方式打开的文件的管道文件写入，子进程再从以读方式打开的文件的管道文件读取，从而实现管道通信。如果是要子进程向父进程传输数据，同理即可。

管道特点总结：

• 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，把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

2.2 创建匿名管道

匿名管道：没有名字的文件(struct file)

匿名管道用于父子间通信，或者由一个父创建的兄弟进程（必须有“血缘“）之间进行通信

#include <unistd.h>
原型：int pipe(int fd[2]);功能:创建匿名管道
参数 fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值:成功返回0，失败返回错误代码

使用如下：

• int main()
  {// 1. 创建管道int fds[2] = {0};int n = pipe(fds); // fds: 输出型参数if(n != 0){std::cerr << "pipe error" << std::endl;return 1;}std::cout << "fds[0]: " << fds[0] << std::endl;std::cout << "fds[1]: " << fds[1] << std::endl;return 0;
  }// 运行如下：
  island@VM-8-10-ubuntu:~/code$ ./code
  fds[0]: 3
  fds[1]: 4

• 输出型参数：文件的描述符数字带出来，让用户使用-->3,4，因为0,1,2分别被stdin，stdout，stderr占用。

2.3 匿名管道通信案例（父子通信）

情况一：管道为空 && 管道正常（read 会阻塞【read 是一个系统调用】）

具体代码演示如下：（子进程写入，父进程读取）

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <cstdlib>// 父进程 -- 读取
// 子进程 -- 写入
void write(std::string &info, int cnt)
{info += std::to_string(getpid());info += ", cnt: ";info += std::to_string(cnt);info += ')';
}int main()
{// 1. 创建管道int fds[2] = {0};int n = pipe(fds); // fds: 输出型参数if (n != 0){std::cerr << "pipe error" << std::endl;return 1;}// 2. 创建子进程pid_t id = fork();if (id < 0){std::cerr << "fork error" << std::endl;return 2;}else if (id == 0){// 子进程// 3. 关闭不需要的 fd, 关闭 readint cnt = 0;while (true){close(fds[0]);std::string message = "(IsLand1314, pid: ";write(message, cnt);cnt++;sleep(2);}exit(0);}else{// 父进程// 3. 关闭不需要的 fd, 关闭 writeclose(fds[1]);char buffer[1024];while(true){ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);if(n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;}}// 记录退出信息pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);std::cout << "father wait chile success" << rid << std::endl;}return 0;
}

子进程每隔 2 s 向父进程写入数据，并且打印，如下：

从上面可以知道：

1. 子进程写入的信息是变化的信息
2. 父进程打印信息的时间间隔和子进程一样，那么子进程没传入信息的时候，父进程处于阻塞 --> (IPC 本质：先让不同的进程，看到同一份资源，可以保护共享资源)

情况二：管道为满 && 管道正常（write 会阻塞【write 是一个系统调用】）

如下对代码做点修改（红框内的代码）

管道有上限，Ubuntu -> 64 KB

如果我们让父进程正常读取，那么结果又是怎样的呢？

运行如下：

当我们到 65536 个字节时，管道已满，父进程读取了管道数据，子进程会继续进行写入，然后进行继续读取，就有点数据溢出的感觉

情况三：管道写端关闭 && 读端继续（读端读到0，表示读到文件结尾）

代码修改如下：

else if (id == 0)
{int cnt = 0, total = 0;while (true){close(fds[0]);std::string message = "h";// fds[1]total += ::write(fds[1], message.c_str(), message.size());cnt++;std::cout << "total: " << total << std::endl; // 最后写到 65536 个字节sleep(2);break; // 写端关闭}exit(0);
}
else
{// 父进程// 3. 关闭不需要的 fd, 关闭 writeclose(fds[1]);char buffer[1024];while (true) {sleep(1);ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);if (n > 0) {buffer[n] = 0;std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;}else if (n == 0) {std::cout << "n: " << n << std::endl;std::cout << "child quit??? me too " << std::endl;break;}std::cout << std::endl;}pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);std::cout << "father wait chile success" << rid << std::endl;
}

运行如下：

结论：如果写端关闭，读端读完管道内部数据，再读取就会读取到返回值 0，表示对端关闭，也表示读到文件结尾

情况四：管道写端正常 && 读端关闭（OS 会直接杀掉写入进程）

情况二：

如何杀死呢？

a. OS 会给 目标进程发送信号：13) SIGPIPE

b. 证明如下；

else if (id == 0)
{int cnt = 0, total = 0;while (true){close(fds[0]);std::string message = "h";// fds[1]total += ::write(fds[1], message.c_str(), message.size());cnt++;std::cout << "total: " << total << std::endl; // 最后写到 65536 个字节sleep(2);}exit(0);
}
else
{close(fds[1]);char buffer[1024];while (true){sleep(1);ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);if (n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;}else if (n == 0){std::cout << "n: " << n << std::endl;std::cout << "child quit??? me too " << std::endl;break;}close(fds[0]); // 读端关闭break;std::cout << std::endl;}// 记录退出信息int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);std::cout << "father wait chile success: " << rid << " exit code: " <<((status << 8) & 0xFF) << ", exit sig: " << (status & 0x7F) << std::endl;
}

运行如下：

小结

🦋 管道读写规则

• 当没有数据可读时
  • read 调用阻塞，即进程暂停执行，一直阻塞等待
  • read 调用返回-1，errno值为EAGAIN。
• 当管道满的时候
  • write 调用阻塞，直到有进程读走数据
  • 调用返回-1，errno值为 EAGAIN
• 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0
• 如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号

2.4 匿名管道特性

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

3. 管道通信的场景 - 进程池 💦

1. 父进程创建多个子进程，并为每个子进程创建一个管道文件，父进程为写端，子进程为读端。父进程给子进程通过管道传输任务，这就是进程池。
2. 如果父进程没有给子进程传输任务，即管道文件中没有数据，根据进程通信情况1，读端即子进程会阻塞等待父进程传输任务。
3. 此外父进程还要给子进程平衡任务，不能让某个进程特别繁忙，其他进程没有任务可做。这就是负载均衡。

进程池 -- 源码实现

后面我会写一篇博客专门来讲这个，敬请期待

4. 命名管道 🦌

4.1 介绍

• 匿名管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。
• 如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。
• 命名管道是一种特殊类型的文件（命名管道 -- > mkfifo）

4.2 创建命名管道

• Linux系统中，使用 mkfifo 命令创建有名管道文件，再使用两个进程打开即可

$ mkfifo filename

 

 如上图，当我们在终端1创建了一个命名管道后，往里面写东西，管道不会关闭，在终端2上发现，它的内存大小还是0。

• 当我们在终端2打印出内容后，管道就自动关闭了。如下图：

• Linux 系统编程中使用 mkfifo 函数创建一个管道文件，再让两个不相关的进程打开：

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

参数

1. pathname：要创建的命名管道的路径名。
2. mode：创建命名管道时设置的权限模式，通常以 8 进制表示，比如 0666。

返回值

• 若成功，返回值为 0；若失败，返回值为 -1，并设置errno来指示错误类型。

功能

• mkfifo() 函数的作用是在文件系统中创建一个特殊类型的文件，该文件在外观上类似于普通文件，但实际上是一个FIFO，用于进程之间的通信。
• 这种通信方式是单向的，即数据写入FIFO的一端，可以从另一端读取出来，按照先进先出的顺序。

🎢 案例：

std::string fifoPath = "/tmp/my_named_pipe";  // 命名管道的路径名
mkfifo(fifoPath.c_str(), 0666); // 创建权限为0666的命名管道

注意事项

• 路径名：确保要创建的命名管道路径名合法且没有重复。
• 权限模式：根据实际需求设置合适的权限模式，确保可被需要访问该管道的进程所访问。
• 错误处理：对 mkfifo() 函数的返回值进行适当的错误处理，根据具体的错误原因进行相应的处理和日志记录。

4.3 命名管道通信案例

先写如下的几个文件：

Comm.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>const std::string gpipeFile = "./fifo";
const mode_t gmode = 0600;
const int gdefultfd = -1;
const int gsize = 1024;

Client.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include "Comm.hpp" // 让不同代码看到同一份资源class Client
{
public:Client():_fd(gdefultfd){}bool OpenPipe(){_fd = ::open(gpipeFile.c_str(), O_WRONLY);if(_fd < 0) {std::cerr << "open error" << std::endl;return false;}return true;}// std::string *: 输出型参数// const std::string &: 输入型参数// std::string &: 输入输出型参数int SendPipe(const std::string &in){return ::write(_fd, in.c_str(), in.size());}void ClosePipe(){if(_fd>=0)::close(_fd);}~Client(){}
private:int _fd;
};

Server.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include "Comm.hpp"class Init
{
public:Init(){umask(0);int n = ::mkfifo(gpipeFile.c_str(), gmode);if (n < 0){std::cerr << "mkfifo error" << std::endl;return;}std::cout << "mkfifo success" << std::endl;// sleep(10);}~Init(){int n = ::unlink(gpipeFile.c_str());if (n < 0){std::cerr << "unlink error" << std::endl;return;}std::cout << "unlink success" << std::endl;}
};Init init;class Server
{
public:Server(): _fd(gdefultfd){}bool OpenPipe(){_fd = ::open(gpipeFile.c_str(), O_RDONLY);if(_fd < 0){std::cerr << "open cerr" << std::endl;return false;}return true;}// std::string *: 输出型参数// const std::string & : 输入型参数// std::string &: 输入输出型参数int RecvPipe(std::string *out){char buffer[gsize];ssize_t n = ::read(_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if(n > 0){buffer[n] = 0;*out = buffer;}return n;}void ClosePipe(){if(_fd>=0)::close(_fd);}~Server(){}private:int _fd;
};

Client.cc(客户端，写入）

#include "Client.hpp"
#include <iostream>int main()
{Client client;client.OpenPipe();std::string message;while(true){std::cout << "Please Entere# ";std::getline(std::cin, message);client.SendPipe(message);}client.ClosePipe();return 0;    
} 

Server.cc（服务端，读取显示）

#include "Server.hpp"
#include <iostream>int main()
{Server server;server.OpenPipe();std::string message;while(true){server.RecvPipe(&message);std::cout << "client Say# " << message << std::endl;}server.ClosePipe();return 0;    
}

Makefile（通过 make 指令来生成可执行文件）

SERVER=server
CLIENT=client
CC=g++
SERVER_SRC=Server.cc
Client_SRC=Client.cc.PHONY:all
all:$(SERVER) $(CLIENT)$(SERVER):$(SERVER_SRC)$(CC) -o $@ $^ -std=c++11
$(CLIENT):$(Client_SRC)$(CC) -o $@ $^ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -f $(SERVER) $(CLIENT)

• .PHONY:all ：这行声明 all 是一个伪目标。即使文件系统中存在一个名为 all 的文件，make all 命令也会执行与 all 相关的规则，而不是认为目标已经是最新的。
• all:server client ：这行定义了 all 伪目标的依赖，即 server 和 client。当运行 make all 时，Makefile 会首先尝试构建 server 和 client 目标。

运行结果如下：

命名管道演示1

注意：如果客户端先退出，那么接收端就会进入死循环

命名管道演示 - 死循环

原因：

• 类似于我们上面说的匿名管道写端关闭，读端继续，读端读到0（文件结尾）
• 死循环是因为 Server.hpp 文件只处理了 n > 0 的情况，因此我们需要做出一些修改，如下对 Server.cc文件做出的修改

运行结果如下：

命名管道-死循环解决演示

为了让我们代码更加优美，并且解决一些代码重复问题，我们再进行一步完善

// Comm.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>const std::string gpipeFile = "./fifo";
const mode_t gmode = 0600;
const int gdefultfd = -1;
const int gsize = 1024;
const int gForRead = O_RDONLY;
const int gForWrite = O_WRONLY;int OpenPipe(int flag)
{int fd = ::open(gpipeFile.c_str(), gForRead);if(fd < 0){std::cerr << "open cerr" << std::endl;return false;}return fd;
}void ClosePipeHelper(int fd)
{if(fd>=0) ::close(fd);
}// Client.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include "Comm.hpp" // 让不同代码看到同一份资源class Client
{
public:Client():_fd(gdefultfd){}bool OpenPipeForWrite(){_fd = OpenPipe(gForWrite);if(_fd < 0) return false;return true;}int SendPipe(const std::string &in){return ::write(_fd, in.c_str(), in.size());}void ClosePipe(){ClosePipeHelper(_fd);}~Client(){}
private:int _fd;
};// Server.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include "Comm.hpp"class Init
{
public:Init(){umask(0);int n = ::mkfifo(gpipeFile.c_str(), gmode);if (n < 0){std::cerr << "mkfifo error" << std::endl;return;}std::cout << "mkfifo success" << std::endl;// sleep(10);}~Init(){int n = ::unlink(gpipeFile.c_str());if (n < 0){std::cerr << "unlink error" << std::endl;return;}std::cout << "unlink success" << std::endl;}
};Init init;class Server
{
public:Server(): _fd(gdefultfd){}bool OpenPipeForRead(){_fd = OpenPipe(gForRead);if(_fd < 0) return false;return true;}int RecvPipe(std::string *out){char buffer[gsize];ssize_t n = ::read(_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if(n > 0){buffer[n] = 0;*out = buffer;}return n;}void ClosePipe(){ClosePipeHelper(_fd);}~Server(){}private:int _fd;
};

深入研究管道，继续对 Server.cc 文件进行修改，看看其第一次打开的时候在哪里阻塞

int main()
{Server server;std::cout << "pos 1" << std::endl;server.OpenPipeForRead();std::cout << "pos 2" << std::endl;std::string message;while (true){if (server.RecvPipe(&message) > 0){std::cout << "client Say# " << message << std::endl;}else{break;}std::cout << "pos 3" << std::endl;}std::cout << "client quit, me too!" << std::endl;server.ClosePipe();return 0;
}

运行如下：

命名管道-阻塞演示

结论：

• 读端打开文件的时候，写端还没有打开，读端对用的 open 就会阻塞

4.4 匿名管道与命名管道的区别

🎀 匿名管道与命名管道的区别

1. 匿名管道由 pipe函数 创建并打开。
2. 命名管道由 mkfifo函数 创建，打开用open。
3. 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。

4.5 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

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

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5.  小结📖

管道是一种用于进程间通信（IPC）的机制，允许一个进程将数据传递给另一个进程。在类Unix操作系统中，管道通常由内核提供，使用简单的读写接口。

管道分为两种类型：无名管道和命名管道

1. 无名管道主要用于具有亲缘关系的进程（如父子进程），在创建时不需要名称，只能通过文件描述符进行访问
2. 命名管道（FIFO）则可以在任何进程之间通信，使用文件系统中的路径来标识

管道的特点

1. 管道是单向的：数据在一个方向上流动，从写端（写入数据的进程）到读端（读取数据的进程）
2. 在写端，数据会被写入一个缓冲区，读端则从这个缓冲区读取数据
3. 管道的缓冲区大小有限，因此如果写入的数据超过缓冲区容量，写入进程会被阻塞，直到有空间可用。

管道的优点在于其简单性和高效性，适用于需要实时数据传输的场景。然而，由于其单向特性和有限的缓冲区，复杂的通信需求可能需要其他IPC机制，如消息队列或共享内存。总的来说，管道是一种基础而有效的进程间通信工具。

【*★,°*:.☆(￣▽￣)/$:*.°★* 】那么本篇到此就结束啦，如果我的这篇博客可以给你提供有益的参考和启示，可以三连支持一下 ！！