进程间通信及管道（理论）

目录

进程间通信介绍

进程间通信目的

进程间通信发展

进程间通信分类

管道

什么是管道

匿名管道

实例代码

用fork来共享管道原理

管道读写规则

管道特点

命名管道

创建一个命名管道

匿名管道与命名管道的区别

命名管道的打开规则

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进程间通信介绍

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。

进程间通信发展

• 管道
• System V进程间通信
• POSIX进程间通信

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

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"

匿名管道

 #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

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

const int size = 1024;

std::string getOtherMessage()
{
    static int cnt = 0;
    std::string messageid = std::to_string(cnt);
    cnt++;
    pid_t self_id = getpid();
    std::string stringpid = std::to_string(self_id);

    std::string message = "message: ";
    message += messageid;
    message += "my pid is : ";
    message += stringpid;

    return message;
}

//子进程写入
void Write(int wfd)
{
    std::string message = "father,I am son process!";
    while(true)
    {
        std::string info = message + getOtherMessage();//子进程发给父进程的消息
        write(wfd,info.c_str(),info.size());

        sleep(1);
    }
}

//父进程读取
void Read(int rfd)
{
    char inbuffer[size];
    while(true)
    {
        ssize_t n = read(rfd,inbuffer,sizeof(inbuffer) - 1);
        if(n > 0)
        {
            inbuffer[n] = 0;
            std::cout<< "father get message: " <<inbuffer <<std::endl;
        }
    }
}

int main()
{
    //1.创建管道
    int pipefd[2];
    int n = pipe(pipefd);
    if(n != 0)
    {
        std::cerr << "cerrno: " << errno << ": "<<"errstring: "<<strerror(errno) <<std::endl;
        return 1;
    }
    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;
        sleep(1);
        //子进程 -- write
        close(pipefd[0]);
        Write(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    std::cout<<"父进程关闭不需要的fd了,准备收消息了"<<std::endl;
    sleep(1);
    //父进程 -- read
    close(pipefd[1]);
    Read(pipefd[0]);
    pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);
    if(rid>0)
    {
        std::cout << "wait child process done"<<std::endl;
    }

    return 0;
}

我们简单的写了一个父子进程的代码，我们的子进程来写，父进程来读，所以我们关闭了父进程的pipefd[1]写端，关闭了子进程的pipefd[0]读端。

用fork来共享管道原理

这个原理就相当于我们父子进程共享pipefd，各自保留自己需要的fd达到通信的过程。

管道读写规则

当没有数据可读时

• O_NONBLOCK disable（禁用）：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（启用）：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

补充：O_NONBLOCK 的基本含义

• 启用 (O_NONBLOCK) : 当一个文件描述符（如套接字）以 O_NONBLOCK 标志打开时，对该文件描述符执行的 I/O 操作（如读取、写入）将不会阻塞调用线程。如果操作不能立即完成（例如，因为网络数据尚未到达），这些操作将立即返回一个错误（通常是 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK），而不是让线程等待操作完成。

• 禁用 (~O_NONBLOCK 或无 O_NONBLOCK） : 默认情况下，如果不使用 O_NONBLOCK 标志打开文件描述符，I/O 操作将阻塞调用线程，直到操作完成。例如，如果尝试从套接字读取数据而当前没有数据可读，调用线程将被挂起，直到数据到达。

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。

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：

mkfifo filename

• 命名管道也可以从程序里创建，相关函数有：

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

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。

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