【Linux系统编程】第三十三弹---深入探索进程间通信：原理、方式、及管道技术详解

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1、进程为什么要通信

2、进程如何通信

1、进程为什么要通信

进程也是需要某种协同的，然而协同的前提条件是通信(信息的传递与交换过程)，因此进程需要通信。

事实：进程具有独立性，进程 = 内核数据结构 + 数据和代码，独立即内核数据结构独立和数据和代码独立。

进程间通信目的

数据传输 ：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
资源共享 ：多个进程之间共享同样的资源。
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）。
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。

2、进程如何通信

进程间通信，成本可能会稍微高一些，因此进程的独立性。

进程间通信的前提：先让不同的进程看到同一份(操作系统)资源("一段内存")。

1、一定是某一个进程先需要通信，然后让OS创建一块共享资源

2、OS必须提供很多的系统调用。

OS创建的共享资源不同，系统调用接口也不同 ---- 进程间通信的种类也会有不同的种类。

3、进程间常见的通信方式

管道(直接复用内核代码通信)

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

4、管道

4.1、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"。

4.2、匿名管道

4.2.1、定义

匿名管道本质上是一个内存级的文件 ，用于在进程之间（特别是父子进程之间）传输数据。与命名管道（Named Pipe，也称为FIFO）不同，匿名管道没有文件名，且在文件系统中没有对应的节点。它通常仅存在于内存中，随进程的结束而消失。

4.2.2、特点

单向通信：匿名管道是单向的，数据只能从一个方向流动。如果需要双向通信，需要创建两个匿名管道。
半双工模式：在任何给定时间内，一个管道只能用于读或写操作，但不能同时进行。
自动创建与销毁：当调用pipe()系统调用创建管道时，系统会自动为其分配两个文件描述符，分别用于读和写。管道的生命周期与进程相关，随着进程的结束而销毁。
有限容量：匿名管道通常有一个有限的缓冲区容量，如果缓冲区满，写操作将会阻塞，直到有数据被读取并腾出空间。
无名性：与命名管道不同，匿名管道没有文件名，无法在文件系统中直接访问。

4.2.3、创建与使用

匿名管道通过调用pipe()系统调用来创建。该函数会返回一个包含两个文件描述符的数组，其中数组的第一个元素是读端文件描述符 ，第二个元素是写端文件描述符。然后，可以通过fork()系统调用创建子进程，并通过这两个文件描述符在父子进程间进行数据传输。

#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

测试创建管道

会用到的头文件和常量

#include <iostream>
#include <cerrno>  // <==> errno.h
#include <cstring> // <==> string.h
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <string>

const int size = 1024;

主函数

// 测试创建管道
int main()
{
    // close(0);// 关闭文件描述符
    // 1、创建管道
    int pipefd[2];
    int n = pipe(pipefd); // 输出型参数 rfd wfd
    // 返回0表示成功，不等于0则失败且更新错误码
    if(n != 0)
    {
        std::cerr << "errno: "<< errno << "errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
        return 1;
    }
    // pipefd[0] 读(0 -> 嘴巴 -> r) pipefd[1] 写(1 -> 笔 -> w)
    // 打印文件描述符
    std::cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << ",pipefd[1]: " << pipefd[1] << std::endl;

    return 0;
}

执行结果

正确打印出文件描述符，表示成功创建管道。

关闭0号文件描述符，继续测试是否满足文件描述符规则！

同样符合规则，先占用0号文件描述符，且成功创建管道。

进行通信测试

获取信息函数

std::string GetOtherMessage()
{
    static int cnt = 0;// 静态变量，全局的，在函数能使用
    std::string messageid = std::to_string(cnt); // stoi string -> int
    cnt++;
    pid_t id = getpid();
    std::string stringid = std::to_string(id);

    std::string message = "messageid: ";
    message += messageid;
    message += "stringid: ";
    message += stringid;

    return message;
}

子进程写入信息

// 子进程进行写入
void SubProcessWrite(int wfd)
{
    int pipesize = 0;
    std::string message = "father,I am your son process!";
    char c = 'A';
    while(true)
    {
        std::string info = message + GetOtherMessage(); // 这条消息，就是我们子进程发给父进程的消息
        write(wfd,info.c_str(),info.size()); // 写入管道的时候，没有写入\0, 有没有必要？没有必要

        sleep(1); // 子进程写慢一点
    }
}

父进程读取信息

// 父进程进行读取
void FatherProcessRead(int rfd)
{
    char buffer[size];
    while(true)
    {
        ssize_t n = read(rfd,buffer,sizeof(buffer) - 1); // strlen()
        // 返回值大于0表示成功读取
        if(n > 0)
        {
            buffer[n - 1] = 0;// \0
            std::cout << buffer << std::endl;
        }
        // 返回值是0，表示写端直接关闭了，我们读到了文件的结尾
        else if(n == 0)
        {
            std::cout << "client quit, father get return val: " << n << " father quit too!" << std::endl;
            break;
        }
        // 返回值小于0表示读取错误
        else if(n < 0)
        {
            std::cerr << "read error" << std::endl;
            break;
        }
    }
}

主函数

int main()
{
    // close(0); // 关闭文件描述符
    // 1、创建管道
    int pipefd[2];
    int n = pipe(pipefd); // 输出型参数 rfd wfd
    // 返回0表示成功，不等于0则失败且更新错误码
    if(n != 0)
    {
        std::cerr << "errno: "<< errno << "errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
        return 1;
    }
    // pipefd[0] 读(0 -> 嘴巴 -> r) pipefd[1] 写(1 -> 笔 -> w)
    std::cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << ",pipefd[1]: " << pipefd[1] << std::endl;
    // 2、创建子进程
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        std::cout << "子进程关闭不需要的fd了，准备发消息了" << std::endl;
        // 子进程  --write
        // 3、关闭不需要的文件描述符 read
        close(pipefd[0]);

        SubProcessWrite(pipefd[1]);

        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }
    sleep(1);
    // 父进程
    // 3、关闭不需要的文件描述符 write
    std::cout << "父进程关闭不需要的fd了，准备收消息了" << std::endl;
    close(pipefd[1]);
    FatherProcessRead(pipefd[0]);
    std::cout << "5s,father close rfd" << std::endl;
    sleep(5);
    close(pipefd[0]);

    // 回收子进程
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id,&status,0);
    // 返回值大于0回收成功
    if(rid > 0)
    {
        std::cout << "wait child process done, exit sig: " << (status & 0x7f) << std::endl;
        std::cout << "wait child process done, exit code(ign): " << ((status >> 8) & 0xFF) << std::endl;
    }
    return 0;
}

用fork来共享管道原理