【Linux 15】进程间通信的方式

文章目录

🌈 一、管道介绍
🌈 二、匿名管道
🌈 三、命名管道
🌈 四、管道的特殊情况

🌈 一、管道介绍

什么是管道

管道是一个进程连接到另一个进程的一个数据流。

举个例子

现在有个统计云服务器用户登录个数的指令：who | wc -l
- who 用于查看当前云服务器的登录用户 (一行一个用户)，wc -l 用于统计当前的行数。
who 和 wc -l 是两个不同的进程，它们却能很好的配合得出想要的结果，靠的就是管道 |。

🌈 二、匿名管道

⭐ 1. 匿名管道的概念

匿名管道不需要名字，只用保证具有亲缘关系的进程能够看到即可，常用于父子进程之间的通信。
创建子进程时，子进程会拷贝父进程的 PCB、地址空间、页表、文件描述符表 (struct files_struct)。
- 子进程在拷贝时用的是浅拷贝，因此父子进程的文件描述符表中的 fd_array 数组中的指针指向的都是同一份文件资源，这才导致父子进程能看到同一份文件。
由于进程间通信的本质是让多个进程看到同一份资源，此时父子进程看到同一个文件及缓冲区不就属于进程间通信了吗。

⭐ 2. 匿名管道的创建

1. 创建匿名管道函数

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

功能：创建一条无名管道。
参数：pipefd 是一个文件描述符数组且是个输出型参数，pipefd [0] 表示管道的读端，pipefd [1] 表示管道的写端。
返回：创建匿名管道成功返回 0，失败则返回 - 1 并设置错误码。

2. 创建匿名管道实例

#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <iostream>

using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;

int main()
{   
    // 创建管道
    int pipefd[2] = { 0 };
    int n = pipe(pipefd);   
    assert(0 == n);

    cout << "读端 fd: " << pipefd[0] << endl;
    cout << "写端 fd: " << pipefd[1] << endl;

    return 0;
}

⭐ 3. 匿名管道的本质

1. 读写端的本质

读端和写端说白了就是两个不同 file 结构体，它们指向同一个文件管道文件。
读端的 file 结构体负责从管道文件中读消息，写端的 file 结构体负责往管道文件写消息。

2. 实现单向通信的过程

父进程向 OS 申请创建管道，设置管道的读写端。

父进程 fork 出子进程，由于子进程会对父进程进行拷贝，子进程也会持有管道的读写端。

保证管道单向通信的特性，父子进程不能同时持有管道的读写端。
- 父进程向子进程发送数据：需要父进程关闭读端 pipefd[0]，子进程关闭写端 pipefd[1]。
- 子进程向父进程发送数据：需要父进程关闭写端 pipefd[1]，子进程关闭读端 pipefd[0]。

⭐ 4. 匿名管道的使用

实现一个子进程向父进程发送数据的单向通信管道。

1. 代码展示

#include <cstring>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;

int main()
{
    /* 1.创建管道 */
    int pipefd[2] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    assert(0 == n);

    /* 2.创建子进程 */
    pid_t id = fork();
    if (id < 0) // 子进程创建失败
        return 1;

    /* 3.建立子写，父读的单向通信的管道 */
    // 父进程关闭写端，子进程关闭读端
    if (0 == id)
    {
    	// 子进程关闭读端
        close(pipefd[0]); 

        // 子进程从写端向管道写入消息
        for (int count = 10; count >= 0; count--)
        {
            char message[1024];
            snprintf(message, sizeof(message) - 1,
                     "hello father, I am child, pid: %d, count: %d",
                     getpid(), count);
            write(pipefd[1], message, strlen(message));
            sleep(1);
        }
		
		// 子进程退出
        exit(0); 
    }

    /* 4.父进程从读端从管道读取消息并打印 */
    close(pipefd[1]); // 父进程关闭写端
    char buffer[1024];
    while (true)
    {
        ssize_t n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (n > 0) 		// 读取成功
        {
            buffer[n] = '\0';
            cout << "child say: " << buffer << " to me!" << endl;
        }
        else if (0 == n)// 读取结束
        {
            break;
        }
    }

    pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0); // 父进程等待子进程退出
    if (rid == id)                       // 等待成功
        cout << "wait success" << endl;

    return 0;
}

2. 结果展示

⭐ 5. 匿名管道的特点

匿名管道有如下 5 种特性。

1. 匿名管道只能用于具有共同祖先的进程

匿名管道只能用于具有亲缘关系的进程之间进行通信，常用于父子进程之间的通信。

2. 匿名管道提供的是流式服务

流式概念：提供一个通信的信道，写端就负责写，读端就负责读。但是，具体写多少、读多少完全由上层决定。底层就只提供一个数据通信的信道。它不关心数据本身的一些细节或格式，这叫做面向字节流。
流式服务：数据没有明确的分割，一次拿多少数据都行。

3. 匿名管道内部自带同步与互斥机制

同步：父子进程在执行时，具有一定的顺序性。
互斥：父子进程不管谁是写端，谁是读端，同时只能有一个访问管道文件。

4. 匿名管道的生命周期随进程结束而结束

管道本质上是通过文件进行通信的，也就是说管道依赖于文件系统。
当所有打开该文件的进程都退出后，该文件也就会被释放掉，所以说匿名管道的生命周期随进程的结束而结束。

5. 匿名管道采用半双工的通信方式

匿名管道是一个只允许单向通信的共享资源文件。
- 即一个管道只允许进程 A 写进程 B 读，或进程 B 写进程 A 读。
如果想实现双向通信，只需要建立两个匿名管道即可。
- 即管道 1 用于进程 A 写进程 B 读，管道 2 用于进程 B 写进程 A 读。

⭐ 6. 匿名管道的大小

管道文件的容量也是有极限的，如果管道已满，那么写端将阻塞或写失败，可以通过以下 2 种方式获取管道的大小。

1. 编写代码验证

现在已经知道了写端在管道满时会阻塞等待，可以根据这个特性获取管道文件的大小。
- 实现方式：定义一个值为 0 的计数器，写端每次往管道种写入 1 个字节，然后让计数器 +1，直到写端阻塞住时的计数器的值就是管道的大小。

#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

using std::cout;
using std::endl;

int main()
{
    /* 1.创建管道 */
    int pipefd[2] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    assert(0 == n);

    /* 2.创建子进程 */
    pid_t id = fork();

    /* 3.只让子进程不停的向管道写入 */
    if (0 == id)
    {
    	// 子进程关闭读端
        close(pipefd[0]); 

        // 子进程不停的从写端向管道写入消息
        int count = 0;
        while (true)
        {
            char ch = 'a';
            write(pipefd[1], &ch, 1);   // 每次向管道中写入 1 个字节的内容
            cout << "write ......: " << ++count << endl;
        }

        exit(0); // 子进程退出
    }

    /* 4.父进程停止从管道种读取数据 */
    close(pipefd[1]); 					 // 父进程关闭写端
    pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0); // 父进程等待子进程退出
    if (rid == id)                       // 等待成功
        cout << "wait success" << endl;

    return 0;
}

2. 使用 ulimit -a 指令查看

🌈 三、命名管道

⭐ 1. 命名管道的概念

匿名管道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。
如果想实现多个不相关的进程之间的通信，可以使用命名管道。
命名管道是一种特殊类型的文件 (FIFO 文件)，命名管道有自己的路径 + 文件名。
进程通过命名管道唯一名字 (路径 + 文件名) 打开同一个管道文件，让多个进程看到同一份资源，即可实现进程间通信。

⭐ 2. 命名管道的创建

创建命名管道的方式有如下 2 种。

1. 通过 mkfifo 指令创建命名管道

可以在命令行中输入如下指令创建一个命名管道，命名管道的名字可自定义。

mkfifo filename

2. 通过 mkfifo 函数创建命名管道

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>

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

参数：
- pathname：如果该参数是个路径，则在指定路径下创建命名管道；如果只是个文件名，则在当前路径下创建命名管道。
- mode：创建命名管道时，要赋予该命名管道文件的默认权限。
返回：如果创建命名管道成功则返回 0，失败则返回 -1。

#include <cassert>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>

const char* pathname = "name_pipe";

int main()
{
    // 在当前路径创建名为 name_pipe 的命名管道并赋予其 0666 的权限
    int n = mkfifo(pathname, 0666);
    assert(0 == n);

    return 0;
}

⭐ 3. 命名管道的使用

命名管道有如下 2 种使用方式。

1. 通过指令使用命名管道

使用输出重定向的方式往命名管道中写入文件。
- 如：使用 echo “hello pipe” > name_pipe 向之前创建的命名管道写入数据。
使用输入重定向的方式从命名管道中读取文件。
- 如：使用 cat < name_pipe 从命名管道中读取数据，然后打印到屏幕上。

2. 通过代码使用命名管道

由于命名管道就是个管道文件，那么只要一个进程以读方式打开管道文件，另一个进程以写方式打开管道文件，即可实现进程之间的互相通信。
- 例：实现一个两个进程打开同一份命名管道，客户端进程负责向管道写入，服务端进程负责从管道读取。

server.cpp ：创建命名管道，以读方式打开命名管道，作为读端从命名管道中读取数据并打印。

#include <fcntl.h>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>

using std::cout;
using std::endl;

#define FILENAME "fifo" // 命名管道的名字

int main()
{
    // 创建命名管道
    int n = mkfifo(FILENAME, 0666);
    assert(0 == n);

    // 以只方式打开命名管道文件
    int rfd = open(FILENAME, O_RDONLY); 
    assert(rfd >= 0);

    // 从管道中读取数据
    char buffer[1024];
    while (true)
    {
        ssize_t s = read(rfd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (s > 0)       // 读取成功
        {
            buffer[s] = '\0';
            cout << "client say: " << buffer << endl;
        }
        else if (0 == s) // 写端关闭
        {
            break;
        }
    }

    // 关闭读端
    close(rfd);

    return 0;
}

client.cpp ：以写方式打开命名管道，作为写端获取用户输入并向命名管道中写入数据。

#include <string>
#include <fcntl.h>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>

using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;
using std::string;
using std::getline;

#define FILENAME "fifo" // 命名管道的名字

int main()
{
    // 以写方式打开命名管道文件
    int wfd = open(FILENAME, O_WRONLY);
    assert(wfd >= 0);

    // 获取用户输入并将其写入管道
    string message;
    while (true)
    {   
        cout << "请输入: ";
        getline(cin, message);
        ssize_t s = write(wfd, message.c_str(),  message.size());
        assert(s >= 0);
    }
    
    // 关闭写端
    close(wfd);

    return 0;
}

结果展示：

⭐ 4. 命名管道的特点

1. 任何进程都可以使用命名管道

命名管道不受进程间亲缘关系的限制，任何进程都可以通过管道的名称来访问管道进行通信。

2. 匿名管道提供的是流式服务

流式概念：提供一个通信的信道，写端就负责写，读端就负责读。但是，具体写多少、读多少完全由上层决定。底层就只提供一个数据通信的信道。它不关心数据本身的一些细节或格式，这叫做面向字节流。
流式服务：数据没有明确的分割，一次拿多少数据都行。

3. 匿名管道内部自带同步与互斥机制

同步：父子进程在执行时，具有一定的顺序性。
互斥：父子进程不管谁是写端，谁是读端，同时只能有一个访问管道文件。

4. 命名管道不随进程的终止而消失

命名管道是有全局唯一的名称 (路径 + 文件名)，其是作为文件系统中的特殊文件存在的。
即使创建它的进程终止，只要该管道文件未被删除，其他进程依然可以通过命名管道的名字来使用它。

5. 命名管道提供半/全双工通信

命名管道可以是单向通信，也可以是双向通信，具体取决于管道的打开方式和通信协议。

🌈 四、管道的特殊情况

正常情况下，如果管道文件没数据了，读端必须等待，直到有数据 (写端写入数据) 了为止。
正常情况下，如果管道文件被写满了，写端必须等待，直到有空间 (读端读出数据) 了为止。
写端关闭，读端一直读取：读端会读到 read 的返回值为 0，表示读到了文件的结尾。
读端关闭，写端一直写入：OS 不会做任何浪费时空的事情，会直接向目标进程发送 SIGPIPE (13 号) 信号将写端进程终止。

【Linux 15】进程间通信的方式 - 管道