Linux多进程(二)进程通信方式一 管道

管道的是进程间通信（IPC - InterProcess Communication）的一种方式，管道的本质其实就是内核中的一块内存(或者叫内核缓冲区)，这块缓冲区中的数据存储在一个环形队列中，因为管道在内核里边，因此我们不能直接对其进行任何操作。

因为管道数据是通过队列来维护的，我们先来分析一个管道中数据的特点：

• 管道对应的内核缓冲区大小是固定的，默认为4k（也就是队列最大能存储4k数据）
• 管道分为两部分：读端和写端（队列的两端），数据从写端进入管道，从读端流出管道
• 管道中的数据只能读一次，做一次读操作之后数据也就没有了（读数据相当于出队列）
• 管道是单工的：数据只能单向流动, 数据从写端流向读端
• 对管道的操作（读、写）默认是阻塞的

一、匿名管道

匿名管道是管道的一种，既然是匿名也就是说这个管道没有名字，但其本质是不变的，就是位于内核中的一块内存，匿名管道拥有上面介绍的管道的所有特性。

pipe 函数用于创建一个管道，以实现进程间通信。

#include <unistd.h>

int pipe(int fd[2]);

管道容量的大小默认是65536字节。我们可以使用fcntl函数来修改管道容量。

下面举一个在多进程程序中管道通信的例子：

#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int pipefd[2];
    char buf[1024];

    // 创建管道
    if (pipe(pipefd) == -1)
    {
        perror("pipe error! \n");
        return 1;
    }

    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        // 创建子进程
        pid_t pid = fork();

        if (pid == -1)
        {
            perror("fork error!\n");
            return 1;
        }
        else if (pid == 0)
        {
            // 子进程关闭写端
            close(pipefd[1]);
            // 从管道读取数据
            memset(buf, 0, 1024);
            read(pipefd[0], buf, sizeof(buf));
            // 打印数据
            printf("pid = %d :Child process received: %s\n", getpid(), buf);
            // 子进程关闭读取端
            close(pipefd[0]);
            // 子进程直接break，以免创建更多的子进程
            break;
        }
    }

    if (getpid() != 0)
    {
        // 父进程关闭读取端
        close(pipefd[0]);
        // 向管道写入数据
        const char *message = "Hello from parent process";
        for (int i = 0; i < 8; i++)
        {
            write(pipefd[1], message, strlen(message));
            sleep(1);
        }
        // 在所有数据都写入后再关闭写入端
        close(pipefd[1]);
    }

    return 0;
}

生成了八个子进程，八个子进程阻塞在read处，等待父进程的消息，父进程发了八次消息，每次间隔1秒。看一下仿真

二、有名管道

有名管道拥有管道的所有特性，之所以称之为有名是因为管道在磁盘上有实体文件, 文件类型为p ，有名管道文件大小永远为0，因为有名管道也是将数据存储到内存的缓冲区中，打开这个磁盘上的管道文件就可以得到操作有名管道的文件描述符，通过文件描述符读写管道存储在内核中的数据。

有名管道也可以称为 fifo (first in first out)，使用有名管道既可以进行有血缘关系的进程间通信，也可以进行没有血缘关系的进程间通信。创建有名管道的方式有两种，一种是通过命令，一种是通过函数。

2.1、创建有名管道

通过命令

mkfifo 有名管道的名字

通过函数

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

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

• pathname: 要创建的有名管道的名字
• mode: 文件的操作权限, 和open()的第三个参数一个作用，最终权限: (mode & ~umask)
• 返回值：创建成功返回 0，失败返回 -1

2.2、进程间通信

不管是有血缘关系还是没有血缘关系，使用有名管道实现进程间通信的方式是相同的，就是在两个进程中分别以读、写的方式打开磁盘上的管道文件，得到用于读管道、写管道的文件描述符，就可以调用对应的read()、write()函数进行读写操作了。

有名管道操作需要通过 open() 操作得到读写管道的文件描述符，如果只是读端打开了或者只是写端打开了，进程会阻塞在这里不会向下执行，直到在另一个进程中将管道的对端打开。

写管道的进程

#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
    // 1. 创建有名管道文件
    int ret = mkfifo("./testfifo", 0664);
    if(ret == -1)
    {
        perror("mkfifo");
        exit(0);
    }
    printf("管道文件创建成功...\n");

    // 2. 打开管道文件
    int wfd = open("./testfifo", O_WRONLY);
    if(wfd == -1)
    {
        perror("open");
        exit(0);
    }
    printf("以只写的方式打开文件成功...\n");

    // 3. 循环写管道
    int i = 0;
    while(i<100)
    {
        char buf[1024];
        sprintf(buf, "hello, fifo, 我在写管道...%d\n", i);
        write(wfd, buf, strlen(buf));
        i++;
        sleep(1);
    }
    close(wfd);

    return 0;
}

读管道的进程

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>

int main()
{
    // 1. 打开管道文件
    int rfd = open("./testfifo", O_RDONLY);
    if(rfd == -1)
    {
        perror("open");
        exit(0);
    }
    printf("以只读的方式打开文件成功...\n");

    // 2. 循环读管道
    while(1)
    {
        char buf[1024];
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        // 读是阻塞的, 如果管道中没有数据, read自动阻塞
        int len = read(rfd, buf, sizeof(buf));
        printf("读出的数据: %s\n", buf);
        if(len == 0)
        {
            // 写端关闭了, read解除阻塞返回0
            printf("管道的写端已经关闭, 拜拜...\n");
            break;
        }

    }
    close(rfd);

    return 0;
}

仿真结果