Linux 进程间通信

管道

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。

我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个"管道"。

匿名管道

cpp 复制代码

#include <unistd.h>
功能:创建一无名管道
原型
int pipe(int fd[2]);

参数
fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值:成功返回0，失败返回错误代码

管道通信实例代码

例子：从键盘读取数据，写入管道，读取管道，写到屏幕

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int main( void )
{
  // fd[0]是读端，fd[1]是写端
  int fds[2];    
  char buf[100];
  int len;
  if ( pipe(fds) == -1 )
  perror("make pipe"),exit(1);

  // read from stdin
  while ( fgets(buf, 100, stdin) ) {
  len = strlen(buf);

  // write into pipe
  if ( write(fds[1], buf, len) != len ) {
   perror("write to pipe");
   break;
  }
  // 清空buf的内容
  memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
  
  // read from pipe
  if ( (len=read(fds[0], buf, 100)) == -1 ) {
   perror("read from pipe");
   break;
  }

  // write to stdout
  // 1 是标准输出的文件描述符
  if ( write(1, buf, len) != len ) {
   perror("write to stdout");
   break;
  }
 }
}


总的来说，这段代码通过管道实现了从标准输入读取数据
然后通过管道将数据回送到标准输出的过程。
每次输入的数据都会被写入管道，再从管道读取并输出到屏幕上。

用fork来共享管道实例代码

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    int fds[2];
    pid_t pid;
    char buf[100];
    int len;

    // 创建管道
    if (pipe(fds) == -1) {
        perror("make pipe");
        exit(1);
    }

    // 创建子进程
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        exit(1);
    } else if (pid == 0) {  // 子进程
        close(fds[0]);  // 关闭管道读端，子进程只写

        // 子进程从标准输入读取数据
        while (fgets(buf, 100, stdin)) {
            len = strlen(buf);

            // 将数据写入管道
            if (write(fds[1], buf, len) != len) {
                perror("write to pipe");
                break;
            }
            memset(buf, 0x00, sizeof(buf));  // 清空缓冲区
        }

        close(fds[1]);  // 关闭管道写端
        exit(0);
    } else {  // 父进程
        close(fds[1]);  // 关闭管道写端，父进程只读

        // 父进程从管道中读取数据
        while ((len = read(fds[0], buf, 100)) > 0) {
            // 将数据写入标准输出
            if (write(1, buf, len) != len) {
                perror("write to stdout");
                break;
            }
            memset(buf, 0x00, sizeof(buf));  // 清空缓冲区
        }

        if (len == -1) {
            perror("read from pipe");
        }

        close(fds[0]);  // 关闭管道读端
        wait(NULL);     // 等待子进程结束
    }

    return 0;
}

管道读写规则

当没有数据可读时

O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。

O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。

当管道满的时候

O_NONBLOCK disable： write调用阻塞，直到有进程读走数据

O_NONBLOCK enable：调用返回-1，errno值为EAGAIN

如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0

如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号SIGPIPE,进而可能导致write进程退出

当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。

当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。

匿名管道特点

只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信；通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父、子进程之间就可应用该管道。

管道提供流式服务

一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程

一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥

管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道

命名管道

管道应用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。

如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。

命名管道是一种特殊类型的文件

创建一个命名管道

命名管道可以从命令行上创建，命令行方法是使用下面这个命令：

bash 复制代码

$ mkfifo filename

命名管道也可以从程序里创建，相关函数有：

cpp 复制代码

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

cpp 复制代码

int main(int argc, char *argv[])
{
  mkfifo("p2", 0644);
  return 0;
}

命名管道的打开规则

如果当前打开操作是为读而打开FIFO时
- O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
- O_NONBLOCK enable：立刻返回成功
如果当前打开操作是为写而打开FIFO时
- O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
- O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO

匿名管道与命名管道的区别

匿名管道由pipe函数创建并打开。
命名管道由mkfifo函数创建，打开用open
FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义。

用命名管道实现server&client通信

cpp 复制代码

// serverPipe.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

#define ERR_EXIT(m) \
do{\
 perror(m);\
 exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)

int main()
{
   // 将文件模式创建掩码设为 0，确保程序创建的文件或管道的权限不会受到当前系统掩码的影响。
   umask(0);
   
   // 创建权限为0644的命名管道 mypipe （即用户可以读写，组用户和其他用户可以读））
   if(mkfifo("mypipe", 0644) < 0){
     ERR_EXIT("mkfifo");
   }

   // 使用 open 函数以只读模式 (O_RDONLY) 打开
   int rfd = open("mypipe", O_RDONLY);
   if(rfd < 0){
     ERR_EXIT("open");
   }

   // 读数据并处理
   char buf[1024];
   while(1){

     // 将缓冲区 buf 的第一个字节设置为 0（空字符）确保缓冲区在读取新数据前被清空
     buf[0] = 0;
     printf("Please wait...\n");

     // s是实际读取的字节数
     ssize_t s = read(rfd, buf, sizeof(buf)-1);

     if(s > 0 ){
       // 这里将 buf[s-1] 设为 0 是因为 read 函数并不会自动在读取的数据末尾添加字符串终止符\0
       buf[s-1] = 0;
       printf("client say# %s\n", buf);
     }else if(s == 0){
        printf("client quit, exit now!\n");
        exit(EXIT_SUCCESS);
     }else{
        ERR_EXIT("read");
     }
   }
   close(rfd);
   return 0;
}

cpp 复制代码

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

#define ERR_EXIT(m) \
do{\
 perror(m);\
 exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)

int main()
{
   int wfd = open("mypipe", O_WRONLY);
     if(wfd < 0){
     ERR_EXIT("open");
   }
   char buf[1024];
   while(1){
     // 将缓冲区 buf 的第一个字节设置为 0（空字符）确保缓冲区在读取新数据前被清空
     buf[0] = 0;
     printf("Please Enter# ");

     // 刷新输出缓冲区，确保提示信息立即显示给用户。
     fflush(stdout);

     // 0是标准输入的文件描述符，这里在读取用户输入的数据
     ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf)-1);
     if(s > 0 ){

       //  将读取的最后一个字符后面的位置设置为0，确保 buf 是一个以\0结尾的字符串。
       buf[s] = 0;

       // 将缓冲区中的数据写入到管道
       write(wfd, buf, strlen(buf));
     }else if(s <= 0){
        ERR_EXIT("read");
     }
   }
   close(wfd);
   return 0;
}