《TCP IP网络编程》第十一章

第 11 章 进程间通信

11.1 进程间通信的基本概念

通过管道实现进程间通信：

        进程间通信，意味着两个不同的进程中可以交换数据。下图是基于管道（PIPE）的进程间通信的模型：

 

        可以看出，为了完成进程间通信，需要创建管道。管道并非属于进程的资源，而是和套接字一样，属于操作系统（也就不是 fork 函数的复制对象）。所以，两个进程通过操作系统提供的内存空间进行通信。下面是创建管道的函数：

#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
filedes[0]: 通过管道接收数据时使用的文件描述符，即管道出口
filedes[1]: 通过管道传输数据时使用的文件描述符，即管道入口
*/

        父进程调用函数时将创建管道，同时获取对应于出入口的文件描述符，此时父进程可以读写同一管道。但父进程的目的是与子进程进行数据交换，因此需要将入口或出口中的 1 个文件描述符传递给子进程。下面的例子是关于该函数的使用方法：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30int main(int argc, char *argv[])
{int fds[2]; // 用于存储管道的文件描述符，fds[0] 用于读取，fds[1] 用于写入char str[] = "Who are you?"; // 待写入管道的字符串char buf[BUF_SIZE]; // 用于存储从管道读取的数据pid_t pid;// 调用 pipe 函数创建管道，fds 数组中保存用于 I/O 的文件描述符pipe(fds);pid = fork(); // 创建子进程，子进程将同时拥有创建管道获取的2个文件描述符，复制的并非管道，而是文件描述符if (pid == 0) // 子进程{write(fds[1], str, sizeof(str)); // 将字符串写入管道的写入端}else // 父进程{read(fds[0], buf, BUF_SIZE); // 从管道的读取端读取数据puts(buf); // 将读取的数据打印到屏幕上}return 0;
}

 运行结果：

        可以从程序中看出，首先创建了一个管道，子进程通过 fds[1] 把数据写入管道，父进程从 fds[0] 再把数据读出来。可以从下图看出： 

 通过管道进行进程间双向通信：

        下图可以看出双向通信模型：

        下面是双向通信的代码示例： 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30int main(int argc, char *argv[])
{int fds[2];char str1[] = "Who are you?";char str2[] = "Thank you for your message";char buf[BUF_SIZE];pid_t pid;pipe(fds);pid = fork();if (pid == 0){write(fds[1], str1, sizeof(str1));sleep(2);read(fds[0], buf, BUF_SIZE);printf("Child proc output: %s \n", buf);}else{read(fds[0], buf, BUF_SIZE);printf("Parent proc output: %s \n", buf);write(fds[1], str2, sizeof(str2));sleep(3);}return 0;
}

运行结果：

         红色结果是正常运行的结果，蓝色是注释掉sleep(2)这行代码之后的结果。

         向管道传递数据时,先读的进程会把数据取走。数据在进入管道之后成为无主数据，也就是先通过read函数先读到数据的进程将得到数据，即使是 该进程将此数据传到了管道中。因此，若注释掉那行代码，子进程将读会自己之前向管道放入的数据，结果就是，父进程掉用read函数后无限期等待数据放入管道。

        当一个管道不满足需求时，就需要创建两个管道，各自负责不同的数据流动，过程如下图所示：

        使用两个管道可以避免程序流程的预测和控制。用上述模型改进的代码示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30int main(int argc, char *argv[])
{int fds1[2], fds2[2];char str1[] = "Who are you?";char str2[] = "Thank you for your message";char buf[BUF_SIZE];pid_t pid;pipe(fds1), pipe(fds2);pid = fork();if (pid == 0){write(fds1[1], str1, sizeof(str1));read(fds2[0], buf, BUF_SIZE);printf("Child proc output: %s \n", buf);}else{read(fds1[0], buf, BUF_SIZE);printf("Parent proc output: %s \n", buf);write(fds2[1], str2, sizeof(str2));}return 0;
}

        运行结果：

         上面通过创建两个管道实现了功能，此时，不需要额外再使用 sleep 函数。运行结果和上面一样。

11.2 运用进程间通信

保存消息的回声服务器：

下面对第 10 章的服务器端代码进行改进，添加一个功能：

将回声客户端传输的字符串按序保存到文件中。

实现该任务将创建一个新进程，从向客户端提供服务的进程读取字符串信息，下面是代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 30void error_handling(char *message);
void read_childproc(int sig);int main(int argc, char *argv[])
{int serv_sock, clnt_sock;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;int fds[2]; // 用于管道的文件描述符数组pid_t pid;struct sigaction act;socklen_t adr_sz;int str_len, state;char buf[BUF_SIZE];if (argc != 2){printf("Usage: %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}act.sa_handler = read_childproc; // 防止僵尸进程sigemptyset(&act.sa_mask);act.sa_flags = 0;state = sigaction(SIGCHLD, &act, 0); // 注册信号处理器，将成功的返回值给 stateserv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建服务端套接字memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) // 分配IP地址和端口号error_handling("bind() error");if (listen(serv_sock, 5) == -1) // 进入等待连接请求状态error_handling("listen() error");pipe(fds); // 创建管道，fds[0] 用于从子进程读取数据，fds[1] 用于向子进程写入数据pid = fork();if (pid == 0){// 子进程运行区域，此部分从客户端接收数据并写入文件FILE *fp = fopen("echomsg.txt", "wt");char msgbuf[BUF_SIZE];int i, len;for (int i = 0; i < 10; i++){len = read(fds[0], msgbuf, BUF_SIZE); // 从管道读取数据fwrite((void *)msgbuf, 1, len, fp); // 将数据写入文件}fclose(fp);return 0;}while (1){adr_sz = sizeof(clnt_adr);clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);if (clnt_sock == -1)continue;elseputs("new client connected...");pid = fork();if (pid == 0){// 子进程运行区域，此部分向客户端提供回声服务close(serv_sock); // 关闭服务器套接字，因为从父进程传递到了子进程while ((str_len = read(clnt_sock, buf, BUFSIZ)) != 0){write(clnt_sock, buf, str_len); // 回送数据给客户端write(fds[1], buf, str_len); // 将数据写入管道，供子进程读取写入文件}close(clnt_sock);puts("client disconnected...");return 0;}elseclose(clnt_sock); // 通过 accept 函数创建的套接字文件描述符已经复制给子进程，因为服务器端要销毁自己拥有的}close(serv_sock);return 0;
}void error_handling(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}void read_childproc(int sig)
{pid_t pid;int status;pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);printf("removed proc id: %d \n", pid);
}

        该代码创建了一个服务器，并使用多进程处理客户端连接。每当有新的客户端连接到服务器时，会创建一个新的子进程来处理与该客户端的通信。子进程将接收来自客户端的数据，并将数据回送给客户端。同时，子进程还会将收到的数据写入到名为"echomsg.txt"的文件中。父进程用于接受客户端的连接，并通过管道将客户端发送的数据传递给子进程进行处理。

         配合第十章的客户端代码运行结果：

服务器端：

客户端： 

 生成的txt文件：

        从图上可以看出，服务端已经生成了文件，把客户端的消息保存下来。

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习题 ：

1、什么是进程间通信？分别从概念和内存的角度进行说明。

        从概念上讲，进程间通信是指两个或多个进程之间交换数据、共享资源或进行通信的机制。它允许不同进程之间进行数据传递和信息交换，从而实现协作和资源共享。

        从内存的角度来看，进程间通信意味着不同进程之间需要访问彼此的内存空间。由于每个进程有独立的虚拟内存空间，进程间不能直接访问对方的内存。因此，需要通过特定的IPC机制，如管道、共享内存、消息队列、信号量等，来实现数据的传递和共享。

2、进程间通信需要特殊的 IPC 机制，这是由于操作系统提供的。进程间通信时为何需要操作系统的帮助？

        为了进行进程间通信，需要管道的帮助，但是管道不是进程的资源，它属于从操作系统，所以，两个进程通过操作系统提供的内存空间进行通信。

        操作系统作为进程的管理者和协调者，提供了特殊的IPC机制。这样，进程间可以协同工作，共享信息和资源，实现复杂的计算和任务。同时，操作系统对进程间通信进行控制和保护，确保系统的稳定性和安全性。

3、「管道」是典型的 IPC 技法。关于管道，请回答以下问题：

i、管道是进程间交换数据的路径。如何创建此路径？由谁创建？

        使用 pipe 函数进行创建，由操作系统创建。父进程调用该函数时将创建管道。+

ii、为了完成进程间通信。2 个进程要同时连接管道。那2 个进程如何连接到同一管道？

        数组中有两个文件描述符，父子进程调用相关函数时，通过 fork 函数，把 1 个文件描述符传递给子进程。      

iii、  管道允许 2 个进程间的双向通信。双向通信中需要注意哪些内容？

        向管道传输数据时，先读的进程会把数据取走。简言之，就是数据进入管道后会变成无主数据，会被先调用read函数的进程读取，这个进程可能是自己。所以有时候为了防止错误，需要多个管道来进程通信。