【Linux进程间通信】Linux匿名管道详解：构建进程间通信的隐形桥梁

EterNity_TiMe_2024-10-03 22:56

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❀Linux进程间通信

前言：当提及Linux系统中的进程间通信（IPC），管道（Pipes）无疑是最基础且广泛使用的一种机制。作为匿名通信的典范，管道为进程间数据交换提供了一个简单而有效的途径。在这个信息飞速传递的时代，掌握Linux管道的使用不仅是理解操作系统底层通信原理的关键一步，也是提升软件开发效率、构建复杂应用系统的必备技能

本篇文章将带您深入探索Linux进程间匿名通信的管道机制。我们将从管道的基本概念出发，逐步揭开其背后的工作原理，并通过实例演示如何在实际编程中创建、使用和维护管道。无论您是初学者，希望建立对Linux IPC的初步认识；还是经验丰富的开发者，渴望在现有基础上进一步精进；亦或是对系统编程充满好奇的学习者，渴望深入了解操作系统内部的奥秘，本文都将为您提供丰富的知识和实用的指导

我们将详细介绍管道的创建过程、数据读写操作、管道的生命周期管理以及常见的使用场景。 同时，我们还会探讨管道在并发编程中的表现，分析其在多进程环境下的行为特性，并提供相应的优化策略。通过理论与实践相结合的方式，相信您能够全面掌握Linux进程间匿名通信的管道技术，为您的软件开发之路增添一份坚实的力量

让我们一同踏上这段探索之旅，揭开Linux管道的神秘面纱，领略其在进程间通信中的独特魅力！

📒1. 进程间通信介绍

进程间通信（Interprocess communication，IPC）是指在不同的进程之间传播或交换信息。由于进程的用户空间是互相独立的，一般而言不能互相访问，但存在一些双方都可以访问的介质或系统空间来实现通信

  • 原理： 进程间通信主要依赖于双方都可以访问的介质或系统空间。这些介质包括共享内存区、系统空间以及双方都可以访问的外设（如磁盘上的文件、数据库中的表项等）。然而，广义上的通过这些方式进行的通信一般不算作"进程间通信"。进程间通信更常见的是通过一组编程接口来实现，这些接口允许程序员协调不同的进程，使它们能在一个操作系统里同时运行，并相互传递、交换信息

  • 必要性： 即使只有一个用户发出要求，也可能导致一个操作系统中多个进程的运行。这些进程之间必须互相通信，以协调它们的行为和共享资源。进程间通信使得一个程序能够在同一时间里处理许多用户的要求

📚2. 什么是管道

  • 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"

管道分为：匿名管道和命名管道，本篇我们主要来了解一下匿名管道

📜3. 匿名管道

匿名管道是Linux中一种非常基础的进程间通信（IPC）方式，其本质上是一种内存级的文件，专门用于父子进程间或具有亲缘关系的进程间的通信

创建匿名管道

c 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


实例代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cassert>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

#define MAX 1024

using namespace std;

int main()
{
    // 1. 建立管道
    int pipefd[2] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    assert(n == 0);
    // 定义 n
    (void)n;
    // 查看文件描述符
    cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << ", pipefd[1]: " << pipefd[1] << endl;

    // 2. 创建子进程
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }

    // 子写，父读，
    // 3. 关闭父子不需要的fd，形成单向通信的管道
    if(id == 0)
    {
        // 子进程
        close(pipefd[0]);

        // 写入
        int cnt = 10;
        while(cnt)
        {
            char message[MAX];
            snprintf(message, sizeof(message), "hello father, I am child, pid: %d, cnt: %d", getpid(), cnt);
            cnt--;
            write(pipefd[1], message, strlen(message));
            cout << "writing cnt: " << cnt << endl;
        }

        exit(0);
    }

    // 父进程
    close(pipefd[1]);

    // 读取
    char buffer[MAX];
    while(true)
    {
        ssize_t n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer)-1);
        if(n == 0)
        {
            cout << "child qiut, read tail" << endl;
            break;
        }
        else if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0; // '\0', 当作字符串
            cout << getpid() << ": " << "child say: " << buffer << " to me!" << endl;
        }
    }

    pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);
    if(rid == id)
    {
        cout << "wait seccess" << endl;
    }

    return 0;
}

🌞fork共享管道原理

🌙结合文件描述符

⭐站在内核角度

📝4. 管道的读写情况与特点

🎈管道的读写情况

  1. 正常情况，如果管道没有数据了，读端必须等待，直到有数据为止(写端写入数据)
  2. 正常情况，如果管道被写满了，写端必须等待，直到有空间为止(读端读走数据)

我们让读端一直读，而写端在写入部分文件后让它sleep一段时间，我们这是来观察一下读端的情况

代码示例：(C++)：

cpp 复制代码 
if(id == 0)
{
    // 子进程
    close(pipefd[0]);

    // 写入
    int cnt = 10000;
    while(cnt)
	{
        char message[MAX];
    	snprintf(message, sizeof(message), "hello father, I am child, pid: %d, cnt: %d", getpid(), cnt);
        cnt--;
        write(pipefd[1], message, strlen(message));
        // 在正常写入一次后，sleep，父进程读取不做修改
        sleep(4);       
	}
    exit(0);
}

当我们的管道被写满了的时候，写端就不能在进行写入了，我们必须等待读端将数据读取走才能继续往管道里面写入，我们让读端休眠上几面，让写端一直写

代码示例：(C++)：

cpp 复制代码 
if(id == 0)
{
    // 子进程
    close(pipefd[0]);

    // 写入
    int cnt = 0;
    while(true)
	{
        char message[MAX];
    	snprintf(message, sizeof(message), "hello father, I am child, pid: %d, cnt: %d", getpid(), cnt);
        cnt++;
        write(pipefd[1], message, strlen(message));
        // 在正常写入一次后，sleep，父进程读取不做修改
        cout << "writing cnt: " << cnt << endl; 	
	}
    exit(0);
}
  1. 写端关闭，读端一直读取，读端会读到read返回值为0，表示读到文件结尾
  2. 读端关闭，写端一直写入，0S会直接杀掉写端进程，通过想目标进程发送SIGPIPE(13)信号，终止目标进程

写端关闭代码示例：(C++)：

cpp 复制代码 
if(id == 0)
{
    // 子进程
    close(pipefd[0]);

    // 写入
    int cnt = 0;
    while(true)
    {
        char message[MAX];
     	snprintf(message, sizeof(message), "hello father, I am child, pid: %d, cnt: %d", getpid(), cnt);
        cnt++;
        write(pipefd[1], message, strlen(message));
        //sleep(2);
        cout << "writing cnt: " << cnt << endl;
        // 在写入两次时，我们将子进程的写入关闭
        if(cnt == 2)
        {
        	close(pipefd[1]);
            break;
        }
    }

    exit(0);
}

// 父进程
close(pipefd[1]);

// 读取
char buffer[MAX];
while(true)
{
	sleep(4);
    ssize_t n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer)-1);
    // 当 n == 0 时，代表read已经读到文件结尾了
    if(n == 0)
    {
    	cout << "child qiut, read tail" << endl;
        break;
    }
    else if(n > 0)
    {
        buffer[n] = 0; // '\0', 当作字符串
        cout << getpid() << ": " << "child say: " << buffer << " to me!" << endl;
    }
}

我们这样设计代码，先让子进程写入之后，关闭掉pipefd1，然后观察父进程是否会打印，我们需要的代码

读端关闭代码示例：(C++)：

cpp 复制代码 
// 父进程
close(pipefd[1]);

// 读取
char buffer[MAX];
while(true)
{
	//sleep(4);
    ssize_t n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer)-1);
    if(n == 0)
    {
    	cout << "child qiut, read tail" << endl;
        break;
    }
    else if(n > 0)
    {
        buffer[n] = 0; // '\0', 当作字符串
        cout << getpid() << ": " << "child say: " << buffer << " to me!" << endl;
    }
    cout << "father return val(n)" << n << endl;
    sleep(1);
    // 打印一次后，我们退出循环    
    break;
}

// 关闭 pipefd[0]，停止读取
cout << "close point read" << endl;
close(pipefd[0]);

sleep(3);

int status = 0;
pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
if(rid == id)
{
    cout << "wait seccess, exit sig: " << (status&0x7f) << endl;
}

注意：当前状态码 & 0x7f可以查看到最后的退出码

🎩管道的特性

管道的5种特性

  1. 匿名管道,可以允许具有血缘关系的进程之间进行进程间通信，常用与父子,仅限于此
  2. 匿名管道，默认给读写端要提供同步机制
  3. 面向字节流的入
  4. 管道的生命周期是随进程的
  5. 管道是单向通信的，半双工通信的一种特殊情况

在了解完管道的这些情况和特征后，我们可以利用管道来写一个简单的线程池

线程池代码链接

📖5. 总结

在探索Linux进程间匿名通信的管道机制这一旅程的尾声，我们不禁对Linux操作系统的精妙设计和强大功能有了更深一层的理解。管道，作为进程间通信的基础而又高效的工具，不仅简化了数据在不同进程间的流动过程，还极大地促进了多任务并发执行的灵活性
通过本文的学习，我们见证了管道从创建到使用的全过程，理解了其背后的工作原理，并掌握了如何在实际编程中利用管道来实现进程间的数据交换。从pipe()函数的调用，到文件描述符的分配，再到数据的读写操作，每一个步骤都蕴含着Linux系统设计的智慧与匠心

但Linux提供的进程间通信机制远不止于此。命名管道、消息队列、共享内存、信号量以及套接字等多种IPC方式，各自拥有独特的优势和适用场景。在未来的学习与实践中，我们可以继续深入探索这些机制，以更加灵活多样的方式实现进程间的协同工作

让我们以更加饱满的热情和坚定的信心，继续前行在Linux系统编程的学习之路上！

希望本文能够为你提供有益的参考和启示，让我们一起在编程的道路上不断前行！
谢谢大家支持本篇到这里就结束了，祝大家天天开心！

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