Linux 进程间通信底层原理(1)：匿名与命令管道

一只小bit2025-08-05 14:24

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1.进程间通信

进程间通信⽬的：

进程间通信发展：

进程间通信分类：

2.管道

匿名管道：

匿名管道的原理：

匿名管道的创建：

匿名管道的特性：

实战运用：

一、通信管道封装类

二、子进程任务处理函数

三、任务函数定义

四、进程池初始化函数

五、任务分配函数

六、进程池销毁机制

七、主函数入口

命名管道：

命名管道的原理：

命名管道的创建：

实战运用：

匿名管道与命名管道的区别：

1.进程间通信

为什么进程还需要通信呢？ 在 Linux 中，进程并非孤立存在，它们往往需要通过通信 协同完成复杂任务。进程需要通信的核心原因可以概括为：打破进程间的隔离性，实现数据交换、任务协作和资源共享。

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（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： 匿名管道与命名管道
  • 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

补充： 1.两个进程之间需要通信交流，进程间通信的本质，必须让不同的进程看到同一份"资源"，即一份内存空间；2.一般由操作系统来提供这一内存空间，**为什么不是其中一个进程提供？会破坏进程的独立性！**3.操作系统提供系统调用接口用于通信，这个通信模块属于文件系统，IPC通信模块（基于system V和posix标准）4.而文件之间的通信通常使用管道。

2.管道

何为管道？ 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；

匿名管道：

匿名管道的原理：

  1. 当父进程创建子进程时，会写时拷贝PCB，虚拟地址空间这些东西，文件描述符file_struct也会拷贝，那么文件是否会拷贝？(struct file) ，不会而是父子进程共同指向同一个文件
  2. 管道就是文件，需要内存，与文件性质一样，只是不刷新到磁盘中去，通信时通过读写两种方式分别打开同一个管道文件，因为打开方式不同，所以会分配两个文件描述符 ，创建子进程时文件描述符拷贝，file_struct拷贝，但是文件层面相同，并且指向同一块文件缓冲区，根据需要父子进程分别关闭一个读写文件，实现单向通信------管道
  3. 如果没有任何关系，那么不能通过这一个原理进行通信，必须有血缘关系，常用于父子进程
  4. 建立信道是必然的，成本也高昂，是因为进程具有独立性

匿名管道的创建：

介绍一下系统调用接口：

int pipe(int pipefd[2]);其中为输出型参数，pipefd[0]为读文件描述符，pipefd[1]为写文件描述符

下面给出一张图方便理解：

可见，如果是创建一个匿名管道供父子进程使用的话，确实会因为打开方式不同，所以会分配两个文件描述符 ，文件层面相同，指向同一块文件缓冲区，根据需要父子进程分别关闭一个读端一个写端，实现单向通信。

匿名管道的特性：

管道的特征：

  1. 具有血缘关系之间的进程进行通信
  2. 管道只能单向通信，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
  3. 父子进程是会进程协同的，同步与互斥------保护管道文件的数据安全
  4. 管道是面向字节流的
  5. 管道是基于文件的，如果不关闭开启的管道，最后会被操作系统释放掉，其生命周期随进程

管道通信中的四种情况：

  1. 读写端正常，管道如果为空，读端就要阻塞
  2. 读写端正常，管道如果被写满，写端就要阻塞
  3. 读端正常读，写端关闭，读端读到0，表明读到了文件结尾，不会被阻塞
  4. 写端正常写，读端关闭，操作系统会通过13号信号SIGPIPE杀掉写端进程

tip：SIGPIPE 是一个信号常量，其值通常为 13，信号是一种软件中断机制，用于通知进程发生了某种特定的事件。SIGPIPE 信号主要与管道（包括匿名管道和命名管道）以及网络套接字通信相关！

关于管道写入的原子性：

PIPE_BUF：原子写入的最大字节数，为4KB，超过这个大小可能导致数据混乱，管道的大小是64KB

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。

实战运用：

基于匿名管道实现简单版本进程池：基于父进程分配任务给子进程去执行：

总体思路：把父进程创建的所有匿名管道当成一个类进行封装；最后在组织起来再封装成一个管理管道的类；最后就是由进程池这个主类进行控制即可。

下面看粗略理解进程池实现的轮廓；之后辅助代码实现：

一、通信管道封装类

cpp 复制代码 
class channel
{
public:
    // 构造函数：初始化管道写端、进程ID和名称
    channel(int wfd, pid_t id, const string& name)
        : cwdfd(wfd)
        , slaverid(id)
        , processname(name) 
    {}

    // 获取管道写端文件描述符
    int getCwdFd() const { return cwdfd; }
    // 获取子进程PID
    pid_t getSlaverId() const { return slaverid; }
    // 获取进程名称
    string getProcessName() const { return processname; }

private:
    int cwdfd;         // 管道写端文件描述符
    pid_t slaverid;    // 子进程PID
    string processname;// 进程名称（用于日志）
};

二、子进程任务处理函数

cpp 复制代码 
// 子进程任务执行循环
void slaver(const vector<function<void()>>& tasks)
{
    while(1)
    {
        int cmdcode = 0;
        // 从标准输入（已重定向为管道读端）读取任务编号
        ssize_t n = read(0, &cmdcode, sizeof(int)); 
        
        if(n == sizeof(int))
        {
            // 执行对应编号的任务
            cout << "child says: recieve the message " << cmdcode 
                 << " pid: " << getpid() << endl;
            tasks[cmdcode](); 
        }
        else if(n == 0)
        {
            // 读端关闭，退出循环
            break;
        }
    }
}

三、任务函数定义

cpp 复制代码 
// 任务1实现
void task1()
{
    cout << "Executing task 0 in process pool." << endl;
}

// 任务2实现
void task2()
{
    cout << "Executing task 1 in process pool." << endl;
}

// 任务3实现
void task3()
{
    cout << "Executing task 2 in process pool." << endl;
}

// 任务4实现
void task4()
{
    cout << "Executing task 3 in process pool." << endl;
}

四、进程池初始化函数

cpp 复制代码 
void initprocesspool(vector<channel>& channels, vector<function<void()>>& tasks)
{
    // 初始化任务队列
    tasks = {task1, task2, task3, task4};
    vector<int> rubbish; // 用于子进程关闭多余管道

    // 创建指定数量的子进程
    for(int i = 0; i < processnum; i++)
    {
        int pipefd[2];
        // 创建管道
        int ret = pipe(pipefd);
        if(ret == -1) perror("pipe error");

        pid_t pid = fork();
        if(pid > 0)
        {
            // 父进程逻辑
            close(pipefd[0]); // 关闭读端
            rubbish.push_back(pipefd[1]);
            // 保存管道写端、PID和进程名
            channels.push_back(channel(pipefd[1], pid, "Process-" + to_string(i)));
        }
        else if(pid == 0)
        {
            // 子进程逻辑：关闭继承的多余管道
            cout << "rubbish process: ";
            for(const auto& e : rubbish)
            {
                cout << e << " ";
                close(e); 
            }
            cout << endl;

            close(pipefd[1]); // 关闭写端
            dup2(pipefd[0], 0); // 重定向标准输入
            close(pipefd[0]); 
            slaver(tasks); // 执行任务循环
            exit(0); // 子进程退出
        }
        else
        {
            perror("fork error");
        }
    }
}

五、任务分配函数

cpp 复制代码 
void ctrlslaver(const vector<channel>& channels, const vector<function<void()>>& tasks)
{
    int cmdcode = 0; // 任务编号
    for(int i = 0; i < TASKNUM; i++)
    {
        // 随机选择一个子进程
        int process_index = rand() % channels.size();
        
        // 发送任务信息
        cout << "parent says: send the message " << cmdcode 
             << " to process: " << channels[process_index].getSlaverId()
             << " 第" << i << "次发送" << endl;

        sleep(2);
        // 向选中进程发送任务编号
        write(channels[process_index].getCwdFd(), &cmdcode, sizeof(int));
        
        // 循环使用任务列表
        cmdcode = (cmdcode + 1) % tasks.size(); 
    }
}

六、进程池销毁机制

请注意，这里是重点，实际上由于子进程不断创建，进程池的结构是这样的：

在创建完成第一个子进程时，父进程留有一个写端口，如果继续创建子进程，那么写端口会被保留下来，后果就是每一个子进程都会有指向某个管道的写端口，因此需要销毁机制！

cpp 复制代码 
// 反向回收法：解决管道关闭阻塞问题
void Method1(const vector<channel>& channels)
{
    auto rit = channels.rbegin();
    while(rit != channels.rend())
    {
        cout << "Closing process: " << rit->getSlaverId() << endl;
        close(rit->getCwdFd()); // 关闭写端
        waitpid(rit->getSlaverId(), nullptr, 0); // 等待子进程退出
        rit++;
    }
}

// 进程池销毁入口
void destroyprocesspool(const vector<channel>& channels)
{
    Method1(channels); // 使用反向回收法
}

七、主函数入口

cpp 复制代码 
int main()
{
    srand((unsigned int)time(nullptr));
    vector<channel> channels; // 管道通道列表
    vector<function<void()>> tasks; // 任务队列

    initprocesspool(channels, tasks); // 初始化进程池
    sleep(2);
    ctrlslaver(channels, tasks); // 分配任务
    destroyprocesspool(channels); // 销毁进程池
    cout << "Process pool destroyed." << endl;
    
    return 0;
}

命名管道：

命名管道的原理：

  1. 匿名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。
  2. 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。
  3. 命名管道是⼀种特殊类型的⽂件。
  4. 上面的讲的是匿名管道，即没有文件名，系统通过pipe接口分配一块内存给具有血缘关系的进程进行通信，如果是两个互不相关的进程进行通信，就需要创建命名管道
  5. 进程间通信的本质是需要看到同一块资源，如果两个进程读写同一个文件，那么架构上与匿名管道大致相同，命名管道如何确保是打开的同一个文件？ 路径+文件名一致确保

命名管道的创建：

可以使用命令行创建或者函数接口创建：

bash 复制代码 
mkfifo filename

pathname是创建mkfifo文件的路径，mode是文件的权限；

如果想要删除mkfifo文件，可以使用unlink:

实战运用：

下面是一个关于unlink和mkfifo函数运用的小测试：

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

using namespace std;

// 定义管道名称
const char* FIFO_NAME = "/tmp/my_test_fifo";

// 写入数据到管道
void write_to_fifo() {
    // 打开管道（写模式）
    int fd = open(FIFO_NAME, O_WRONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open fifo for writing failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 要写入的数据
    const char* message = "Hello from write process!";
    int bytes_written = write(fd, message, strlen(message) + 1);
    if (bytes_written == -1) {
        perror("write to fifo failed");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    cout << "Writer: Successfully wrote " << bytes_written << " bytes" << endl;
    close(fd);
}

// 从管道读取数据
void read_from_fifo() {
    // 打开管道（读模式）
    int fd = open(FIFO_NAME, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open fifo for reading failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 读取数据
    char buffer[1024];
    int bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (bytes_read == -1) {
        perror("read from fifo failed");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    cout << "Reader: Received message: " << buffer << endl;
    close(fd);
}

int main() {
    // 1. 使用mkfifo创建命名管道
    mode_t mode = 0666; // 管道权限
    if (mkfifo(FIFO_NAME, mode) == -1) {
        perror("mkfifo failed");
        // 如果管道已存在，也可以继续执行
        if (errno != EEXIST) {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        cout << "FIFO already exists, proceeding..." << endl;
    } else {
        cout << "Successfully created FIFO: " << FIFO_NAME << endl;
    }

    // 2. 创建子进程进行通信
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork failed");
        unlink(FIFO_NAME); // 清理管道文件
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (pid == 0) {
        // 子进程：读取数据
        read_from_fifo();
        exit(EXIT_SUCCESS);
    } else {
        // 父进程：写入数据
        sleep(1); // 确保子进程先打开管道
        write_to_fifo();
        wait(nullptr); // 等待子进程结束

        // 3. 使用unlink删除管道文件
        if (unlink(FIFO_NAME) == -1) {
            perror("unlink failed");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        cout << "Successfully removed FIFO: " << FIFO_NAME << endl;
    }

    return 0;
}

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。
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