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进程间通信的定义
进程间通信(Inter-Process Communication ---- IPC)的定义：不同进程之间交换数据、传递信息、协同工作的机制。
为什么要有IPC？
因为每个进程具有独立性，进程之间是相互隔离的。
进程间通信的目的
数据传输：一个进程需要将它的数据发送个另一个进程。（一个进程生成数据交给另一个进程来处理数据）
资源共享：多个进程之间共享同样的资源。（多个进程通过共享内存，同时读取同一份配置数据，避免数据拷贝）
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，使其执行某种回应。（子进程退出时，通过信号通知父进程，让父进程回收资源）
进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（例如调试进程），来监视它的运行过程。
进程间通信的发展
管道 IPC -> System V IPC -> POSIX IPC
进程间通信的分类
管道 IPC：匿名管道 ---- 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
进程间通信的方式
单工：单向固定传输，只能一方发、一方收，无法反向。（例如信号）
半双工：双方均可收发，同一时刻只能单向传输。（例如管道）
全双工：双方同时收发，双向并行传输。（例如Socket）
管道
管道的定义：内核级维护的一块环形缓冲区，用来进行数据传输。
通信方式：半双工。
匿名管道
匿名管道的定义：Linux内核维护的无名环形缓冲区，属于半双工通信，仅用来具有血缘关系（常用于父子进程）的进程进行进程间通信，无磁盘文件实体，进程结束管道自动销毁。
匿名管道的创建
pipe -> 创建一个匿名管道
int pipe(int pipefd[2]);
pipefd[0]：表示读端 pipe[1]：表示写端
成功：返回 0 失败：返回 -1
管道实现父子进程通信的原理
fork之前
fork之后
父子进程间单向管道通信的最终状态 ---- 关闭多余管道端（父写子读或父读子写）
代码演示
cpp
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
void Read(int rfd)
{
// 子进程读取数据
while (1)
{
char buf[1024];
int n = read(rfd, buf, sizeof(buf) - 1);
if (n > 0)
{
buf[n] = 0;
printf("父进程说:%s\n", buf);
}
else if (n == 0)
{
printf("子进程正常退出\n");
break;
}
else
{
printf("子进程异常读取");
break;
}
}
}
void Write(int wfd)
{
// 父进程写入数据
int cnt = 5;
int i = 0;
char* buf[5] = {"hello world", "hello linux", "wait", "quit", "haha"};
while (cnt--)
{
int n = write(wfd, buf[i], strlen(buf[i]));
++i;
sleep(1);
}
}
int main()
{
int pipefd[2] = {0};
int n = pipe(pipefd);
if (n < 0)
{
perror("make pipe error");
exit(1);
}
pid_t id = fork();
if (id < 0)
{
perror("fork error");
exit(1);
}
else if (id == 0)
{
close(pipefd[1]);
Read(pipefd[0]);
close(pipefd[0]);
exit(0);
}
close(pipefd[0]);
Write(pipefd[1]);
close(pipefd[1]);
waitpid(id, NULL, 0);
return 0;
}管道读写规则
-
读端快，写端慢 ---- 读端进程阻塞在read调用内部，知道写端进行写入数据
-
读端慢，写端快 ---- 管道是有容量大小的，管道被写满时，写端进程阻塞在write调用内部，等待读端进行读取，由于管道是环状结构，一旦读端把数据读取，则该数据所占用的空间可以被读端进行覆盖写入
-
读端关闭，写端没关 ---- 写段进程进行write调用内部会产生信号SIGPIPE，从而被操作系统终止
-
读端没关，写段关闭 ---- 读端进程会读到管道有效数据的末尾，再次调用read则返回0
匿名管道的特点
1.只能用于具有血缘关系的进程进行进程间通信。通常的做法：一个匿名管道由一个进程创建，然后该进程fork，此后父、子进程之间通过匿名管道进行通信。
-
管道的生命周期随着进程（原因：读端和写端的所有文件描述符都被关闭，管道释放。）
-
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，需要建立两个管道。
-
管道是面向字节流的
命名管道
命名管道（FIFO）的定义：一种以文件形式存在于文件系统中的特殊文件（文件类型为 p），支持任意进程（有无血缘关系的进程）进行进程间通信，属于半双工通信。
本质特性：磁盘上存在，内核会为其维护环形缓冲区，但缓冲区里面的内容不会刷新到磁盘上。
命名管道的特点、读写规则、原理与匿名管道基本一致。
命名管道的创建和删除
命令行创建命名管道
mkfifo fifo
prw-rw-r-- 1 lt lt 0 May 23 21:43 fifo|
命令行删除命名管道
rm fifo
unlink fifo
可执行程序创建命名管道
int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);
可执行程序删除命名管道
int unlink(const char *pathname);
命名管道的打开规则
以读的方式打开：打开之前没有其他进程以写的方式打开 -> 阻塞到open调用内部直到有其他进程以写的方式打开
以写的方式打开：打开之前没有其他进程以读的方式打开 -> 阻塞到open调用内部直到有其他进程以读的方式打开
那么谁先阻塞结束呢？
核心结论：后到达匹配条件的一方先结束阻塞
-
读端先 open 阻塞，后续写端执行 open，写端先成功返回，然后读端阻塞解除返回
-
写端先 open 阻塞，后续读端执行 open，读端先成功返回，然后写端阻塞解除返回
举例：
进程 A 只读打开 FIFO→阻塞
进程 B 只写打开 FIFO→B 先结束阻塞返回，A 同步唤醒结束阻塞
代码实现 ---- 用命名管道实现server 和 client 进程间通信
cpp
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
umask(0);
// 创建命名管道
int n = mkfifo("fifo", 0664);
if(n < 0)
{
perror("make fifo error");
exit(1);
}
// 读数据
int fd = open("fifo", O_RDONLY);
while(true)
{
char buf[1024];
int n = read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
if(n > 0)
{
buf[n] = 0;
std::cout << "client say:" << buf << std::endl;
}
else if(n == 0)
{
std::cout << "client 已退出，并且数据已读取完毕" << std::endl;
break;
}
else
{
std::cout << "读取异常" << std::endl;
break;
}
}
close(fd);
unlink("fifo");
return 0;
}
cpp
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
// 写数据
int fd = open("fifo", O_WRONLY);
while(true)
{
std::cout << "Prease Input #:";
std::string buf;
std::getline(std::cin, buf);
write(fd, buf.c_str(), buf.size());
}
close(fd);
return 0;
}代码运行结果
