【1++的Linux】之进程间通信

进击的1++2023-10-27 5:06

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一，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。

进程间通信的必要性：

若没有进程间通信，那么也就无法使用并发能力，无法实现进程间协同。传输数据，消息通知等。

进程是具有独立性的，虚拟地址空间和页表保证了其独立性，因此，进程间通信的成本是比较高的。

想要让两进程间能够通信，那么其必定要能够看到同一份 "内存" 。这份所谓的"内存"不能属于任何一个进程，它应该是共享的。

进程间通信的发展：

  1. 管道
  2. System V进程间通信
  3. POSIX进程间通信

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

二，管道

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。是Linux原生就能够提供的。其有一个入口，一个出口，是单向通信的，也可以说是一种特出的半双工通信。

管道的原理：

我们在上面提到，两进程之间能够进行通信，那么两进程之间就得都能看到同一份资源？那么怎么让两进程看到同一份资源呢？

在fork之后，创建出来的子进程会继承父进程的大多数内容，这其中就包括文件描述符表，那么文件对象会被拷贝给子进程吗？显然是不会的，这样做是没有意义的。

我们在创建子进程之前分别以读写方式打开同一个文件，子进程继承之后，其也能够这个文件的文件描述符，有了文件描述符，我们是不是就能够访问这个文件了！！！我们让父进程进行写，那么就关闭其读的那个文件描述符，让子进程读，那么就关闭其写的那个文件描述符。这样，父子进程间就能够就行通信了。这样通信方式我们叫做匿名管道。
管道的本质是一种文件。

下面我们来简单的实现一个匿名管道：

使用pipe系统调用来创建匿名管道。

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<cstring>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;

int main()
{
    //创建匿名管道
    int pipefd[2];//0读--1写
    int n=pipe(pipefd);
    assert(n!=-1);
    cout<<"creat pipe success"<<endl;
    (void)n;
    //创建子进程
    pid_t pid=fork();
    assert(pid!=-1);
    if(pid==0)//子进程
    {
        //子进程负责读
        close(pipefd[1]);//关闭写端
        char buffer[1024];
        while(true)
        {
            //sleep(3);
            ssize_t n=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
            assert(n!=-1);
           if(n>0)
           {
             buffer[n]='\0';
             cout<<"child get a message["<<getpid()<<"]"<<"father#"<<buffer<<endl;
           }
            if(n==0)
            {
                cout<<"write quite,me quite"<<endl;
                break;
            }
        }

        close(pipefd[0]);//可有可无
        exit(0);
    }

    //父进程写
    close(pipefd[0]);//关闭读
    const char* message="I am sending message";
    int count=0;
   while(true)
   {
     ssize_t n=write(pipefd[1],message,strlen(message));
     sleep(1);
     count++;
     if(count==5) break;
   }

   //读写完成，退出
  close(pipefd[1]);
  pid_t ret= waitpid(pid,nullptr,0);
  assert(ret>0);
  return 0;

    return 0;
}

运行结果：

写慢读快时

我们发现写慢读快时，读端不会继续写，而是停下来等待写入。

当我们让写快，读慢时（即读时休眠时间长一些）

一次会将管道中的所有数据都读出来。管道的大小是有限制的，当管道被写满时，便不会再写，而是等待读。

当把写端关掉，读端进程会直接退出。

当把读端关掉，OS会关掉写进程。

因此管道可以让进程间协同，提供了访问控制。

管道提供的是面向流式的通信服务，其生命周期随进程。

从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读，它就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据。

站在内核的角度，管道的本质就是两个进程对同一个文件对象，一个进行写入，一个进行读取。

看待管道和看待文件一样，使用也是一样的，这也符合：Linux下一切皆文件的思想。

一个父进程可以和一个子进程通信，那么一个父进程能否和多个子进程分别通信？---可以的！

代码如下：

cpp 复制代码 
#pragma once
#include<iostream>
#include<functional>
#include<vector>
#include<string>
#include<unordered_map>
#include<unistd.h>
#include <utility> 
#include<cassert>
typedef std::function<void()> func;
std::vector<func> callbacks;
std::unordered_map<int,std::string> desc;
void readSQL()
{
    std::cout << "sub process[" << getpid() << " ] 执行访问数据库的任务\n" << std::endl;
}

void execule()
{
    std::cout << "sub process[" << getpid() << " ] 执行url解析\n" << std::endl;
}

void cal()
{
    std::cout << "sub process[" << getpid() << " ] 执行加密任务\n" << std::endl;
}

void save()
{
    std::cout << "sub process[" << getpid() << " ] 执行数据持久化任务\n" << std::endl;
}

void lod()
{ desc.insert({callbacks.size(), "readSQL: 读取数据库"});
    callbacks.push_back(readSQL);

    desc.insert({callbacks.size(), "execule: 进行url解析"});
    callbacks.push_back(execule);

    desc.insert({callbacks.size(), "cal: 进行加密计算"});
    callbacks.push_back(cal);

    desc.insert({callbacks.size(), "save: 进行数据的文件保存"});
    callbacks.push_back(save);

}

void showHandler()
{
    for(auto& e:desc)
    {
        std::cout<<e.first<<'\t'<<e.second<<std::endl;
    }
}

int Handersize()
{
    return callbacks.size();
}
cpp 复制代码 
#include<unistd.h>
#include<cstring>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include"task.hpp"
#define PROCESS_NUM 5

using namespace std;

int waitcommand(int waitfd,bool& quite)
{
    int command=0;
    ssize_t n=read(waitfd,&command,sizeof(command));
    if(n==0)
    {
        quite=true;
        return -1;
    }

    return command;

}

void SendCommand(int who,int fd,int command)
{
    ssize_t s=write(fd,&command,sizeof(command));
    std::cout<<"main process call"<<who<<"excule"<<desc[command]<<std::endl;
}

int main()
{
    lod();
    //pid  :  fd
    std::vector<std::pair<int,int>> slots;
    //多个子进程
    for(int i=0;i<PROCESS_NUM;i++)
    {
        //创建管道
        int pipefd[2];
        int n=pipe(pipefd);
        assert(n!=-1);
        //创建子进程
        pid_t pid=fork();
        assert(pid!=-1);
        if(pid==0)//子进程
        {
            //子进程读
            close(pipefd[1]);
            while(true)
            {
                //等命令
                bool quite=false;
                int command=waitcommand(pipefd[0],quite);//不写就等待
                if(command==-1)
                {
                    //std::cout<<"退出"<<std::endl;
                    break;
                }
                else if(command>=0&&command<=Handersize())
                {
                    callbacks[command]();
                }
                else
                {
                    std::cout<<"非法输入"<<std::endl;
                }
            }
            //退出
            close(pipefd[0]);
            std::cout<<"write quite,me quite"<<std::endl;
            exit(1);
            
        }

        //父进程写
        close(pipefd[0]);
        slots.push_back(std::make_pair(pid,pipefd[1]));
    }

    //随机派发命令
    srand((unsigned)time(nullptr));
    while(true)
    {
        int command=rand()%Handersize();//选择命令
        int choice=rand()%slots.size();//选择子进程
        //指派任务
        SendCommand(slots[choice].first,slots[choice].second,command);
        sleep(2);
    }

    //关闭所有写
    for(auto& e:slots)
    {
        close(e.second);
    }

    //回收所有子进程
     for(auto& e:slots)
    {
        waitpid(e.first,nullptr,0);
    }

    return 0;
}

命名管道：

命名管道与匿名管道的原理相同，都是通过让两个进程看到同一份资源，从而实现通信，但命名管道不再局限于父子进程之间，而是任意两个进程之间实现通信。
两进程看到相同的资源，是通过管道文件的路径从而实现的。

命名管道的本质也是一种文件，但不是普通的文件，普通的文件我们在读写时，会将内存数据刷新到磁盘中，但是我们的管道是不会的。因此其效率也是很高的。

管道文件的创建：

  1. mkfifo filename
  2. int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);

下面是我们实现的命名管道的代码：

// 服务端接收消息

cpp 复制代码 
#include"comm.hpp"
#include"Log.hpp"

static void getmessage(int fd)
{
      char buffer[1024];
   while(true)
   {
        int n=read(fd,buffer,sizeof(buffer-1));
        assert(n!=-1);
        if(n>0)
        {
            buffer[n]='\0';
            std::cout<<"["<<getpid()<<"]"<<"client say: "<<buffer<<std::endl;
        }
        else if(n==0)
        {
            std::cout<<"["<<getpid()<<"]"<<"client quit,me quit"<<std::endl;
            break;
        }
   }
}

int main()
{
    //创建管道
    int n=mkfifo(ipc_path.c_str(),0666);
    if(n<0)
    {
        perror("mkfifo");
        exit(1);
    }
    log("管道创建成功",DEBUG)<<"step1"<<std::endl;

    //打开管道进行读
    int fd=open(ipc_path.c_str(),O_RDONLY);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        exit(2);
    }
    log("打开管道成功",DEBUG)<<"step2"<<std::endl;
    for(int i=0;i<Process_Num;i++)
    {
        int pid=fork();
        assert(pid>=0);
        if(pid==0)
        {
            getmessage(fd);
            exit(1);
        }

    }
    for(int i=0;i<Process_Num;i++)
    {
        waitpid(-1,nullptr,0);
        std::cout<<"等待成功"<<std::endl;
    }
    close(fd);
    log("关闭管道成功",DEBUG)<<"step3"<<std::endl;
    unlink(ipc_path.c_str());
    log("删除管道成功",DEBUG)<<"step4"<<std::endl;

    return 0;
}

//客户端发送消息

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include"comm.hpp"
#include"Log.hpp"
#include<cstring>
int main()
{
    int fd=open(ipc_path.c_str(),O_WRONLY);
    if(fd<0)
    {
        perror("open");
        exit(3);
    }
    log("client 打开管道成功",DEBUG)<<"step5"<<std::endl;
    std::string buffer;
    while(true)
    {
        std::cout<<"client say:"<<std::endl;
        std::getline(std::cin,buffer);
        int n=write(fd,buffer.c_str(),buffer.size());

    }
    close(fd);
    return 0;

}
cpp 复制代码 
#pragma once
#include<iostream>
#include"comm.hpp"
#ifndef _LOG_H_
#define _LOG_H_

#define DEBUG 0
#define NOTICE 1
#define WARNING 2
#define ERROR 3

std::string mes[4]={
    "DEBUG","NOTICE","WARNING","ERROR"
};

std::ostream &log(std::string message,int level)
{
    std::cout<<"|"<<unsigned(time(nullptr))<<"|"<<mes[level]<<"|"<<message;
    return std::cout;
}


#endif
cpp 复制代码 
#pragma once
#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<string>
#include<cassert>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#define Process_Num 4

std::string ipc_path="./fifo.ipc";

一个普通的全局的静态函数与普通函数的区别是：用static修饰的函数，限定在本源码文件中，不能被本源码文件以外的代码文件调用。

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