Linux 进程间通信之管道

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专题分栏:Linux

目录

一、通信

1、进程为什么要通信?

1.数据的类型

2.父进程和子进程算通信吗?

2、进程如何通信?

3、进程通信的常见方式?

二、管道

1、概念

1.管道的4种情况:

2.管道的5种特征:

2、匿名管道

1.为什么父子进程会向同一个显示器终端打印数据?

[2.进程默认会打开三个标准输入输出:0,1,2 ?](#2.进程默认会打开三个标准输入输出:0,1,2 ?)

3.为什么我们子进程主动close(0/1/2),不影响父进程继续使用显示器文件呢?

4.什么是管道文件?

5.管道文件的特点?

6.管道文件结构图

7.父子既然要关闭不需要的fd,那为什么要打开?

8.可以不关不需要的fd吗?

9.如果想双向通信,怎么办?

10.为什么要单向通信?

11.管道的使用(*)

12.read、write的注意点:

read的返回值:

write:

[13.命令行中的管道符号:' | '](#13.命令行中的管道符号:‘ | ’)

14.管道多次创建的示意图(*)

3、命名管道

1.原理

2.匿名管道和命名管道的区别

3.怎么保证两个毫不相干的进程,打开了同一个文件呢?

[4.命名管道操作 --- 系统调用篇](#4.命名管道操作 --- 系统调用篇)

[5.命名管道操作 --- 指令篇](#5.命名管道操作 --- 指令篇)

[三、管道的项目 --- 进程池](#三、管道的项目 --- 进程池)

process_pool.cc

task.hpp

Makefile


一、通信

1、进程为什么要通信?

进程也是需要某种协同的,所以如何协同的前提是通信。

1.数据的类型

通知就绪的、单纯的要传递的数据、控制相关的信息...

2.父进程和子进程算通信吗?

答案:不算。

1、一直通信 和 能通信不是同一个概念。

2、父子进程只能读父子进程共享的变量内容,而且还不能进行修改,修改了就会发生写时拷贝,数据不一致。

2、进程如何通信?

进程间通信的前提是

让两个进程能同时看到同一份资源(也就是操作系统的一段空间)。
因为不同的进程之间互相是独立的,所以不同的进程独自创建的空间,其他进程是不知道的。所以需要第三方的协助(也就是操作系统)。

但是,操作系统不能被用户直接的访问资源,所以操作系统需要提供对应的系统调用。

如果对于下列的图不明白的话,建议去看看进程相关的知识。

这两篇博客讲的都是和进程相关的内容

Linux 冯诺依曼体系、操作系统、进程概念、进程状态、进程切换-CSDN博客

Linux 进程优先级、程序地址空间、进程控制-CSDN博客

3、进程通信的常见方式?

二、管道

1、概念

1.管道的4种情况:

1、如果管道内部时空的 && write fd没有关闭,读取条件不具备,读进程会被阻塞 --- wait --- 等到读取条件具备 --- 再进行写入 --- 之后再进行读数据。管道空且写未关,读阻塞

2、如果管道被写满 && 不读且没有关闭,写条件不具备,写进程会被阻塞 --- wait --- 等到写条件具备 --- 写入数据。管道满且读未关,写阻塞

3、管道一直在读&&写端关闭了wfd,读端read返回值会读到0,表示读到文件结尾。读且写关闭,读到文件尾,结束

4、rfd直接关闭,写端wfd一直进行写入。这种管道叫broken pipe,os不做浪费时空的事情,os会杀掉对应的进程,给目标发送(13 SIGPIPE)信号。写且读关闭,写进程被杀掉。

2.管道的5种特征:

1、匿名管道:只能用来进行具有父子进程之间通信。(这里的父子进程是泛泛的,爷孙进程也可以)。

2、管道内部,自带进程之间的同步机制。同步:多执行流执行代码的时候,具有明显的顺序性。

3、管道的生命周期是随进程的

4、管道在通信的时候,是面向字节流的。 write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。(半双工:在同一时刻,只能有一个方向的数据传输)

2、匿名管道

1.为什么父子进程会向同一个显示器终端打印数据?

因为父子进程代码和数据在没有修改的时候是属于共享的,所以子进程创建的时候,会直接将父进程的task_struct拷贝一份,当然,也包括其中的文件描述符表,所以只要父进程的文件描述符表中存储了标准输入、标准输出、标准错误,子进程也就会有标准输入、标准输出、标准错误。

bash进程可以想象成树形结构的根节点。所以只要将bash的文件描述符表设置好,所有的进程就都会在运行的之后默认打开这三个标准文件。

2.进程默认会打开三个标准输入输出:0,1,2 ?

bash打开了,所有子进程默认也就打开了,我们只需要做好约定即可!

3.为什么我们子进程主动close(0/1/2),不影响父进程继续使用显示器文件呢?

因为,struct file中也有内存级引用计数。

父子同时打开了显示器文件,所以显示器文件的引用计数为2,当关闭了子进程的显示器文件,引用计数减一,只有当引用计数为0的时候,才会释放资源。

struct file -> ref_count; if (ref_count==0) 释放文件资源。

4.什么是管道文件?

管道文件:管道文件是一种特殊的文件,它存在于内存中,而不是磁盘上。它允许一个进程的输出直接作为另一个进程的输入,从而实现进程间的数据交换和协同工作。

5.管道文件的特点?

  • 管道只允许单向通信。

  • 管道文件不需要刷新到磁盘中(所以需要单独设计通信接口)。

6.管道文件结构图

7.父子既然要关闭不需要的fd,那为什么要打开?

为了让子进程继承下去。

8.可以不关不需要的fd吗?

可以,但是建议关闭,因为可能会误写。

9.如果想双向通信,怎么办?

可以建立两个管道。

一个管道,父读子写;一个管道父写子读。

10.为什么要单向通信?

因为简单,并且保证数据的安全性。

公共资源可能会存在被多个进程同时访问的情况。数据不一致问题。比如说子进程写了一半,父进程就开始读。

11.管道的使用(*)

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>  // errno.h
#include <cstring> // string.h
#include <unistd.h>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

void subprocess_write(int);
void fatherprocess_read(int);

// 子写父读
int main()
{
    // 创建管道
    int pipefd[2] = {0};
    int exitcode = pipe(pipefd);

    std::cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << " pipefd[1]: " << pipefd[1] << std::endl;
    
    // 创建子进程
    int id = fork();

    // 子写父读
    if (id == 0)
    {
        std::cout << "子进程关闭不需要的fd, 准备发消息" << std::endl;
        sleep(1);
        // child
        // 关闭其他权限
        close(pipefd[0]);

        // 子进程写
        subprocess_write(pipefd[1]);

        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }
    std::cout << "父进程进程关闭不需要的fd, 准备收消息" << std::endl;
    sleep(1);
    // father
    // 关闭不需要的fd
    close(pipefd[1]);

    // 父进程读
    fatherprocess_read(pipefd[0]);

    close(pipefd[0]);

    pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);
    if (rid > 0)
    {
        std::cout << "wait sucessfully\n" << std::endl;
    }
    return 0;
}

std::string other()
{
    static int cnt = 0;
    std::string messageid = std::to_string(cnt);
    cnt++;
    std::string stringid = std::to_string(getpid());
    std::string message = messageid + " my pid is " + stringid;

    return message;
}
void subprocess_write(int wfd)
{
    std::string message = "i am child: ";
    while (true)
    {
        std::string info = message + other();
        write(wfd, info.c_str(), info.size());// 写入管道的时候没有写入'\0'
        sleep(1);
    }
}
void fatherprocess_read(int rfd)
{
    char inbuffer[1024] = {0};
    while (true)
    {
        std::cout << "---------------------------------" << std::endl;
        ssize_t n = read(rfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1);
        if(n > 0)
        {
            inbuffer[n] = 0;
            std::cout  << inbuffer << std::endl;
        }
        else if (n == 0)
        {
            std::cout << "读端关闭" << std::endl;
            break;
        }
        else 
        {
            std::cout << "读入失败" << std::endl;
            break;
        }
    }
}

12.read、write的注意点:

read的返回值:
  • 返回值 > 0,读取成功,且返回值是读取的字节数。
  • 返回值 = 0,读取结束。写端关闭,导致读端读到文件尾结束。
  • 返回值 < 0,读取失败。
write:

如果每次写的数据的大小 小于 pipe_buf(<= 512Byte,在Linux中是4096Byte),写入操作的过程是原子的。(原子的意思就是不可再分,证明这个操作是线程安全的)

13.命令行中的管道符号:' | '

命令行中的 |,就是匿名管道,'|' 左侧命令的stdout 作为 右侧命令的stdin。

14.管道多次创建的示意图(*)

创建了两个管道:

创建了三个管道:

3、命名管道

1.原理

是不是感觉很眼熟,和匿名管道的文件结构图差不多,其实就是差不多。

只不过这两个管道有一个非常显著的不同。

2.匿名管道和命名管道的区别

  • 匿名管道:两个通信的进程之间是有血缘关系的。(父子进程,爷孙进程...)
  • 命名管道:两个通信的进程之间没有血缘关系。
  • 匿名管道:不需要文件路径。
  • 命名管道:需要文件路径。

3.怎么保证两个毫不相干的进程,打开了同一个文件呢?

通过文件的路径来确认。每一个文件,都有文件路径(唯一性)。

4.命名管道操作 --- 系统调用篇

5.命名管道操作 --- 指令篇

三、管道的项目 --- 进程池

有 n 个管道,n 个任务,要保证每条管道都负载均衡。

process_pool.cc

cpp 复制代码
#include "Task.hpp"

// 父进程写,子进程读
class Channel
{
private:
    int _wfd;
    int _id;

public:
    Channel(int wfd, int id)
        : _wfd(wfd), _id(id)
    {
    }
    void close_subprocess()
    {
        close(_wfd);
    }
    int get_wfd()
    {
        return _wfd;
    }
    int get_id()
    {
        return _id;
    }
};

void work(int rfd);
void create_ChannelAndSubprocess(std::vector<Channel> *channels, int child_number, work_t work);
int next_channel(std::vector<Channel> &channels);
void send_command(Channel &channel, int option_task);
void ctrl_channel(std::vector<Channel> &channels);
void clean_ChannelAndSubprocess(std::vector<Channel> *channels);
int main(int argv, char* argc[])
{
    std::vector<Channel> channels;
    load_task();

    if (argv != 2)
        return -1;
    int num = std::stoi(argc[1]);
    // 1、创建信道和子进程
    create_ChannelAndSubprocess(&channels, num, work);

    // 2、通过信道控制子进程
    ctrl_channel(channels);

    // 3、回收管道和子进程
    clean_ChannelAndSubprocess(&channels);
    return 0;
}

void create_ChannelAndSubprocess(std::vector<Channel> *channels, int child_number, work_t work)
{
    for (int i = 0; i < child_number; i++)
    {
        int pipefd[2] = {0};
        int exit_code = pipe(pipefd);
        if (exit_code < 0)
        {
            std::cout << "errno : " << exit_code << std::endl;
            exit(1);
        }
        pid_t id = fork();
        if (id == 0)
        {
            // child;
            close(pipefd[1]);
            work(pipefd[0]);
            exit(0);
        }
        // father
        close(pipefd[0]);

        (*channels).emplace_back(pipefd[1], id);
    }

    std::cout << "创建了:" << channels->size() << "个信道和子进程" << std::endl;
}
int next_channel(std::vector<Channel> &channels)
{
    static int count = 0;
    int option = count;
    count++;
    count %= channels.size();
    return option;
}
void send_command(Channel &channel, int option_task)
{
    write(channel.get_wfd(), &option_task, sizeof(option_task));
}
void ctrl_channel(std::vector<Channel> &channels)
{
    // 选择任务
    srand(time(nullptr));
    int n = task_number;
    while (n -- )
    {
        int option_task = rand() % task.size(); // task[option_task]
        // 选择信道
        int option_channel = next_channel(channels); // channels[option_task]
        // 发送任务
        send_command(channels.at(option_channel), option_task);
        sleep(1);
    }
}
void clean_ChannelAndSubprocess(std::vector<Channel> *channels)
{
    for (auto& channel:*channels)
    {
        channel.close_subprocess();
    }
    for (auto& channel:*channels)
    {
        waitpid(channel.get_id(), 0, 0);
    }
}

task.hpp

cpp 复制代码
#pragma once

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

typedef void (*task_t)();
typedef void (*work_t)(int);

const int size = 4096;
const int task_number = 7;
// 加载
void download()
{
    std::cout << "This is a downlaod task!" << std::endl;
}
// 打印
void print()
{
    std::cout << "This is a print task!" << std::endl;
}
// 刷新
void flush()
{
    std::cout << "This is a flush task!" << std::endl;
}

std::vector<task_t> task;

void load_task()
{
    task.push_back(download);
    task.push_back(print);
    task.push_back(flush);
}
void excute_task(int option_task)
{
    if (option_task < 0 || option_task >= task.size())
        return;
    task.at(option_task)();
}

void work(int rfd)
{
    int t = task_number;
    int option_task = 0;
    int n = read(rfd, &option_task, sizeof(option_task));
    if (n > 0)
    {
        excute_task(option_task);
        std::cout << "--------------------------------" << std::endl;
    }
}

Makefile

cpp 复制代码
process_pool:process_pool.cc
	g++ $^ -o $@ -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf process_pool

谢谢大家!

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