零基础入门进程间通信：task 1（匿名管道与vscode使用）

目录

引言

VSCODE使用

进程间通信正题

基础背景

进程间通信分类

匿名管道

理解匿名管道

代码实现

匿名管道的特性

管道的四种情况

应用场景

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引言

在当今的计算机技术领域，操作系统作为计算机系统的核心组件，承担着资源管理、任务调度和进程管理等重要职责。Linux作为一种开源、高性能、稳定的操作系统，广泛应用于服务器、嵌入式设备和个人电脑中。在Linux系统中，进程是资源分配和调度的基本单位，而进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）则是确保多个进程能够协同工作、共享数据的关键技术。

本系列文章将通过task1-4来完成进程间通信的学习。

task 1将着重介绍：1.VScode远端连接linux云服务器 2.匿名管道通信

VSCODE使用

将VScode与linux远端的机器进行连接。

首先我们需要下载remote插件，F1找到remote添加远端主机指令。

输入用户名和远端主机的信息：ssh XXX@12345678

我们可以选择记住这个主机。

完成之后自己的用户内部有一个文件。

这个文件内部就添加了主机信息了（可以进行删除）

这样就提示连接上了远端。

需要注意的是，我们写完代码必须Ctrl + S保存才能保存文件。

从此我们就不需要用vim了，用vscode就可以进行代码编写

进程间通信正题

基础背景

进程通信的本质是：让不同的进程看到同一份资源。

这个资源一般是特定的内存空间，起这个资源一般是OS提供。

system V一般本机通信

posix一般网络通信

system V的通信标准给出了三个：消息队列、共享内存、信号量。

当然还有基于文件的通信：管道

进程间通信分类

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

匿名管道

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 "。

理解匿名管道

父进程用wr的形式分别open打开一个文件

fork出子进程之后，子进程会继承父进程文件描述符表files_struct。指向同样的file结构。

父子关闭不需要的接口，就可以实现资源的互联。

进程就像是用户，关闭打开某个文件，对文件产生的影响都是通过OS进行的。file结构内部存在计数器，关闭文件会造成计数器--。

匿名管道只能用于亲戚进程通信：父子可以、兄弟可以、孙子爷爷可以（只要有一样的files_struct就可以）。
用 fork 来共享管道原理

站在文件描述符角度 - 深度理解管道

站在内核角度 - 管道本质

open打开的是磁盘的文件，内存的文件怎么办？

pipe用于打开在内存级别的一个文件，这个文件也存在缓冲区......

创建一个管道pipe（用读和写的形式打开一个文件两次）。

大部分系统调用，用于判断是否成功，成功一般返回0，否则-1.

传参提醒你，传入一个两个元素组成的int数组，这是一个输出型参数

pipefd[0]是读文件打开方式的fd

pipe[1]是写方式打开文件的fd

代码实现

实现一个子进程写，父进程读的逻辑代码

int main() 
{
    int pipefd[2] = {0};
    int ret = pipe(pipefd);     //创建内存管道文件，0是read端，1是write端。虽然fd不同，但是是同一个文件。
    if (ret < 0) 
    {
        cout << "Failed to create pipe" << endl;
        return -1;
    }

    // cout << "pipefd[0] = " << pipefd[0] << ", pipefd[1] = " << pipefd[1] << endl;

    pid_t id = fork();
    
    if (id < 0) 
    {
        cout << "Failed to fork" << endl;
        return -1;
    }

    //子进程写，父进程读
    if (id == 0)
    {
        // child process
        close(pipefd[0]);
        //ipc code 
        Writer(pipefd[1]);      //不断写

        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    // parent process
    close(pipefd[1]);
    //ipc code 

     //虽然子进程将pipepid[0]关闭了，但是只会让file结构--，父进程还是可以对pipefd[0]进行读操作的。
    Reader(pipefd[0]);      
    pid_t retid = waitpid(id, nullptr, 0);
    if (retid < 0)  
    {
        cout << "Failed to wait child process" << endl; 
        return 3;
    }
    close(pipefd[0]);

    return 0;
}    

写入缓冲区

//child process
void Writer(int Wfd) 
{   
    string str = "Hello, im child process!";
    pid_t pid = getpid();
    int number = 0;

    char buffer[1024] = {0};

    while (true)
    {
        //构建发送字符串
        buffer[0] = '\0';   //清空缓冲区,告诉读者，这是一个字符串
        snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s pid = %d, number = %d\n", str.c_str(), pid, number++);
        // cout << buffer << endl;
        sleep(10);

        //发送字符串给父进程（只要你是一个文件，存在fd,就可以用write向文件写入内容）
        write(Wfd, buffer, strlen(buffer));     //write是写入到了文件缓冲区

    }
    

}

snprintf可以将数据格式化的写道字符串中

从缓冲区读取

//parent process
void Reader(int Rfd) 
{
    char buffer[1024] = {0};
    while (true)
    {
        buffer[0] = '\0';   //清空缓冲区,告诉读者，这是一个字符串   

        //从文件中读取字符串
        ssize_t n = read(Rfd, buffer, sizeof(buffer));   //sizeof(buffer) != strlen(buffer)
        if (n > 0)   //n是读取的字节数
        {
            buffer[n] = 0;   //字符串末尾加上'\0'
            cout << "Received message: " << buffer << endl;
        }
    }
    
}

总结

核心逻辑就是父进程用pipe打开一个内存级别的文件两次

父进程创建子进程

子进程调用W函数，父进程调用R函数

W函数就是借助pipefd[1]向文件缓冲区写入（write）

R函数就是借助pipefd[0]从缓冲区读取（read）

父进程等待子进程

易错解析

每次打开一个文件都会产生一个file结构，同时获得一个file结构对应的fd。

读方式打开，获得读方式的fd

写方式打开，获得写方式的fd

一个进程可以用不同的方式打开一个文件多次。

我们不可以通过建立全局字符串的方式去进行通信，因为子进程在修改字符串时，会发生写时拷贝。

所有进行进程通信的时候，所占用的区域属于OS管理，而不是某个进程。

匿名管道的特性

1.只有亲戚之间可以通信

2.管道只能单向通信

3.父子进程协同、互斥（限定资源的抢占特性）、同步通信的特性

eg：子进程休眠10s才写入一次，那父进程也别着急读，会等待一下进程（并不会读取空的管道，因为没有打印Received message:，说明直接没有读）

4.管道面向字节流

不管你写的是什么，在r端认为都是一个个字节，只负责读。所谓的格式区分，不是r端该干的活，这种特性就是字节流。

5.管道基于文件，而文件被打开的生命周期基于进程，所以进程结束，管道关闭。

6.管道是有固定大小的，在不同的内核中，可能有差别

7.管道的原子性

**原子性：小于pipe_buf，就是原子的。**保证读写的连贯性 4kb

管道的四种情况

读写端正常，管道为空，读端阻塞

读写端正常，管道满了，写段阻塞

写端关闭，read会读取到EOF，返回0，不会阻塞

读端关闭，写端继续写入时，OS就要（通过信号）杀掉写进程

写端关闭特指的是：一定要现有写端被打开的现象，才能说是写端被关闭。如果写端都哦没有被打开，就不存在关闭一说

在命名管道（FIFO）的情况下，"写端关闭"这个说法确实指的是写端曾经被打开，并且随后被关闭。以下是详细解释：

打开写端：这意味着至少有一个进程通过 open 系统调用以写模式（O_WRONLY）打开了管道的写端，从而能够向管道写入数据。

关闭写端：这发生在进程完成写入操作后，通过 close 系统调用关闭了写端。关闭写端意味着该进程不再向管道写入数据，但如果有其他进程已经打开了写端，它们仍然可以写入。

写端未被打开：如果没有任何进程以写模式打开管道的写端，那么我们就不能说写端被关闭，因为关闭是一个状态改变，需要先有一个打开的状态。

因此，如果没有进程曾经打开过写端，那么说"写端被关闭"是不准确的。在这种情况下，更准确的说法是"写端尚未被打开"或"没有进程打开写端"。

当读端进程尝试从管道读取数据时，如果写端尚未被任何进程打开，那么读操作会阻塞，等待写端的打开和数据的写入。只有当至少一个进程打开了写端并写入数据后，读端进程的读操作才会解除阻塞并读取数据。如果所有写端都被关闭，并且没有数据留在管道中，那么读操作会返回0，表示到达了文件末尾。

应用场景

在bash中输入的|管道符号就是一种匿名管道。