前言

我們?cè)趯W(xué)習(xí)進(jìn)程管理，進(jìn)程替換時(shí)，都強(qiáng)調(diào)了進(jìn)程的獨(dú)立性，那進(jìn)程間通信是什么？這好像和進(jìn)程的獨(dú)立性相矛盾吧？
那么今天，我們就來(lái)學(xué)習(xí)進(jìn)程間通信，和第一種通信方式 – 管道

一. 進(jìn)程間通信

進(jìn)程間通信，并沒有破壞進(jìn)程的獨(dú)立性這一特點(diǎn)，這點(diǎn)我們?cè)?code>管道講解
而進(jìn)程通信的目的有如下幾個(gè)：

1. 數(shù)據(jù)傳輸：一個(gè)進(jìn)程需要將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個(gè)進(jìn)程
2. 資源共享：多個(gè)進(jìn)程之間共享同樣的資源
3. 通知事件：一個(gè)進(jìn)程需要向另一個(gè)或一組進(jìn)程發(fā)送消息，通知它（它們）發(fā)生了某種事件（如進(jìn)程終止時(shí)要通知父進(jìn)程）
4. 進(jìn)程控制：有些進(jìn)程希望完全控制另一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行（如Debug進(jìn)程），此時(shí)控制進(jìn)程希望能夠攔截另一個(gè)進(jìn)程的所有陷入和異常，并能夠及時(shí)找到它的狀態(tài)改變。

進(jìn)程間通信的三種常用方法

1. 管道

匿名管道pipe
命名管道

2. System V進(jìn)程間通信

System V消息隊(duì)列
System V共享內(nèi)存
System V信號(hào)量

3. POSIX進(jìn)程間通信

消息隊(duì)列
共享內(nèi)存
信息號(hào)
互斥量
條件變量
讀寫鎖

進(jìn)程依舊具有獨(dú)立性，一個(gè)進(jìn)程不可能可以直接從另一個(gè)進(jìn)程的堆，棧區(qū)獲取數(shù)據(jù)，那么進(jìn)程間通信是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？
要讓兩個(gè)不同的進(jìn)程，進(jìn)行通信，前提條件是：先讓不同進(jìn)程，看到同一份“資源”

而管道就是，看到同一份“資源”的實(shí)現(xiàn)方式之一

二. 管道

管道是Unix中最古老的進(jìn)程間通信形式
我們把一個(gè)進(jìn)程連接到另一個(gè)進(jìn)程的一個(gè)數(shù)據(jù)流稱為一個(gè)“管道”
我們?cè)贚inux指令中使用的| 就是管道
who | wc -l，who可以查看有幾個(gè)用戶登錄服務(wù)器，wc可以統(tǒng)計(jì)有幾行文本行
這里就是who創(chuàng)建進(jìn)程，先顯示有幾個(gè)用戶，然后將數(shù)據(jù)傳輸給wc，wc處理完再輸出結(jié)果

我們?cè)倬呦蟮睦斫夤艿?/p>

當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，OS會(huì)創(chuàng)建task_struct維護(hù)，管理進(jìn)程。而該結(jié)構(gòu)體里有一個(gè)strust file_struct*，指向一個(gè)結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體是管理文件的，里面存儲(chǔ)了打開文件的文件描述符，默認(rèn)0,1，2分別是標(biāo)準(zhǔn)輸出，標(biāo)準(zhǔn)輸入，標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤
而Linux下一切皆文件，管道也是文件，但是是OS為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信，而臨時(shí)創(chuàng)建的一個(gè)內(nèi)存文件。默認(rèn)是空閑文件描述符的后兩個(gè)。如下圖

而創(chuàng)建子進(jìn)程，需要重新創(chuàng)建task_struct ，但是struct files_struct的內(nèi)容是拷貝父進(jìn)程的，但也僅是拷貝，拷貝一份文件描述符和文件的映射關(guān)系，不會(huì)重新創(chuàng)建新文件
fork創(chuàng)建子進(jìn)程后，只會(huì)賦值進(jìn)程相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象，不會(huì)復(fù)制父進(jìn)程曾經(jīng)打開的文件對(duì)象！就像淺拷貝一樣

這種管道，只支持單向通信，叫做匿名管道。因?yàn)槲募?code>只有一個(gè)緩沖區(qū)，所以讀寫同時(shí)只能進(jìn)行一項(xiàng)
所以我們需要手動(dòng)確定數(shù)據(jù)流向，關(guān)閉不需要的文件描述符fd

三. 匿名管道的使用

接下來(lái)，我們就來(lái)簡(jiǎn)單模擬一下進(jìn)程間通信。

用匿名管道實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信，需要父進(jìn)程創(chuàng)建匿名管道，創(chuàng)建的方法是使用pipe函數(shù)

該函數(shù)的參數(shù)較為特殊：是輸出型參數(shù)。類似waitpid的status。
我們傳過去一個(gè)2大小的整型數(shù)組，pipe函數(shù)內(nèi)部會(huì)將創(chuàng)建的管道的讀和寫兩個(gè)文件描述符寫入這個(gè)數(shù)組，返回給我們

返回值：成功調(diào)用，返回0；錯(cuò)誤，返回-1，并設(shè)置錯(cuò)誤碼。

1. pipe的使用

我們首先使用一下pipe函數(shù)，看一下其效果

#include<iostream>
#include<cerrno>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

using std::cout;
using std::endl;

int main()
{
    //創(chuàng)建管道所需傳參的數(shù)組
    int pipefd[2]={0};
    
    //1.創(chuàng)建管道
    int n=pipe(pipefd);
    if(n<0)
    {
        //如果返回值小于0，即-1，還會(huì)設(shè)置錯(cuò)誤碼
        //我們?cè)侔彦e(cuò)誤碼對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤信息，打印一下
        cout<<"pipe error,"<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl;
        return 1;
    }
    cout<<"pipefd[0]:"<<pipefd[0]<<endl;
    cout<<"pipefd[1]:"<<pipefd[1]<<endl;

    return 0;
}

正如前面所說(shuō)，管道的兩個(gè)文件描述符，默認(rèn)使用當(dāng)前空閑的前兩個(gè)文件描述符。
管道創(chuàng)建的兩個(gè)文件描述符，默認(rèn)第一個(gè)是讀，第二個(gè)是寫

記憶法
pipe[0]的是讀端，0 -> 嘴巴 -> 讀
pipe[1]的是寫端，1 -> 筆 -> 寫

2. 準(zhǔn)備通信

我們知道了管道的創(chuàng)建方法，接下來(lái)就可以準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)父子進(jìn)程通信了。
我們上面說(shuō)到，進(jìn)程間通信的前提條件就是：讓不同的進(jìn)程，看到同一份資源。
管道就可以是這份資源，我們模擬父子進(jìn)程通信，讓子進(jìn)程往管道里寫數(shù)據(jù)，然后父進(jìn)程接收數(shù)據(jù)

代碼如下：

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

using std::cout;
using std::endl;

int main()
{
    //創(chuàng)建管道所需傳參的數(shù)組
    int pipefd[2]={0};
    
    //1.創(chuàng)建管道
    int n=pipe(pipefd);
    if(n<0)
    {
        //如果返回值小于0，即-1，還會(huì)設(shè)置錯(cuò)誤碼
        //我們?cè)侔彦e(cuò)誤碼對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤信息，打印一下
        cout<<"pipe error,"<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl;
        return 1;
    }
    cout<<"pipefd[0]:"<<pipefd[0]<<endl;//讀端
    cout<<"pipefd[1]:"<<pipefd[1]<<endl;//寫端

    //2.創(chuàng)建子進(jìn)程
    pid_t id = fork();
    //獲取錯(cuò)誤。意料之外，使用if；意料之中，用assert
    //此處應(yīng)該使用if，但為了簡(jiǎn)單一些，使用assert
    assert(id!=-1);

    if(id==0)
    {
        //子進(jìn)程
        
        //3.關(guān)閉不需要的fd
        close(pipefd[0]);//關(guān)閉子進(jìn)程的讀端

        //4.開始通信
        const std::string namestr="hello ,我是子進(jìn)程";
        int cnt=1;//計(jì)數(shù)器

        char buffer[1024];//write的字符數(shù)組

        while(true)
        {
            //將內(nèi)容寫入buffer字符串
            snprintf(buffer,sizeof(buffer)-1,"%s,計(jì)數(shù)器：%d,我的PID:%d\n",namestr.c_str(),cnt++,getpid());
            //將內(nèi)容寫入管道
            write(pipefd[1],buffer,strlen(buffer));
            sleep(1);
        }

        //關(guān)閉子進(jìn)程的寫端，再exit退出
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    //父進(jìn)程

    //3.關(guān)閉不需要的fd
    //讓父進(jìn)程進(jìn)行讀取
    close(pipefd[1]);//關(guān)閉父進(jìn)程的寫端

    //4.開始通信
    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        //讀取的大小，至少要留一個(gè)位置寫入\0
        int n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(n>0)
        {
            buffer[n]='\0';
            cout<<"我是父進(jìn)程, child give me a message: "<<buffer<<endl;
        }
    }

    
    //關(guān)閉父進(jìn)程的讀端，結(jié)束進(jìn)程
    close(pipefd[0]);
    return 0;
}

這樣我們就實(shí)現(xiàn)了父子進(jìn)程的通信。

3. 匿名管道的特點(diǎn)和場(chǎng)景

1. 當(dāng)我們將子進(jìn)程寫入數(shù)據(jù)的sleep(1)注釋掉。程序運(yùn)行的結(jié)果就變得不一樣了。
   
   我們看到，子進(jìn)程寫了很多次，父進(jìn)程才進(jìn)行了一次讀取。
   我們?cè)俑淖円幌拢谧舆M(jìn)程寫入后的sleep改成sleep(5)
   在父進(jìn)程讀取數(shù)據(jù)時(shí)，我們10個(gè)字節(jié)，10個(gè)字節(jié)的讀取
   
   程序運(yùn)行結(jié)果就又變了
   

這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證出了這樣一個(gè)結(jié)論：
在匿名管道的通信中，寫入的次數(shù)，和讀取的次數(shù)，不是嚴(yán)格匹配的，讀寫次數(shù)的多少?zèng)]有強(qiáng)相關(guān) — 因?yàn)榫彌_區(qū)的讀寫都是以字節(jié)為單位 — 字節(jié)流

2. 接下來(lái)，我們?cè)僮鰝€(gè)實(shí)驗(yàn)：
   我們讓父進(jìn)程正常的讀取數(shù)據(jù)，但子進(jìn)程每次寫入間隔10秒。
   
   觀察運(yùn)行，我們發(fā)現(xiàn)，我們讓子進(jìn)程寫入變慢，但是父進(jìn)程的讀取也變慢了。這是怎么回事呢？

首先，管道文件的數(shù)據(jù)類似隊(duì)列，寫入一次是入隊(duì)列，讀取是出隊(duì)列，只要讀取，數(shù)據(jù)就沒了。
所以，子進(jìn)程寫入變慢，父進(jìn)程沒有東西可讀，就進(jìn)入了阻塞狀態(tài)。

3. 我們?cè)僮尭高M(jìn)程的讀取變慢，子進(jìn)程正常寫入
   
   
   

我們發(fā)現(xiàn)，管道進(jìn)行了65536(從0開始)次寫入之后就沒有寫入了。等父進(jìn)程時(shí)間一到，讀取了很多的X
而每次寫入，我們都只寫入1個(gè)字節(jié)。所以管道最多可以寫入65536字節(jié)，也就是2的16次方，64kb，16個(gè)數(shù)據(jù)塊。

4. 如果我們將子進(jìn)程的寫端關(guān)閉，父進(jìn)程的讀端繼續(xù)，會(huì)發(fā)生什么呢？
   我們讓子進(jìn)程寫入一次數(shù)據(jù)就關(guān)閉寫端，父進(jìn)程仍然一直讀取數(shù)據(jù)，但要對(duì)read的返回值多作一個(gè)判斷
   
   運(yùn)行結(jié)果如下
   

當(dāng)我們關(guān)閉子進(jìn)程的寫端，父進(jìn)程再讀取就會(huì)讀到文件尾，就會(huì)返回0，父進(jìn)程就終止了。

5. 如果我們關(guān)閉父進(jìn)程的讀端，結(jié)果又會(huì)是這樣呢？

直接說(shuō)結(jié)論：
當(dāng)一個(gè)管道只有寫端，沒有讀端，代表著無(wú)論怎么寫，都不會(huì)有人獲取，這是沒有意義的事，而操作系統(tǒng)不會(huì)維護(hù)無(wú)意義的，低效率的，或者浪費(fèi)資源的事情。OS會(huì)殺死一直在寫入的這個(gè)進(jìn)程！通過13號(hào)信號(hào) SIGPIPE，殺死進(jìn)程

接下來(lái)，我們總結(jié)一下匿名管道的特點(diǎn)和場(chǎng)景

特點(diǎn)

1. 單向通信，半雙工的一種情況，雙方同時(shí)只能一方寫入
   因?yàn)槟涿艿?code>只有一個(gè)緩沖區(qū)，同時(shí)只能有一方進(jìn)行讀寫。
   全雙工，雙方可以同時(shí)寫入
2. 匿名管道的本質(zhì)是文件，因?yàn)?code>fd的生命周期隨進(jìn)程，所以管道的生命周期也是隨進(jìn)程的。
3. 匿名管道通信，通常用來(lái)進(jìn)行具有“血緣關(guān)系”的進(jìn)程之間的進(jìn)程通信，因?yàn)槟涿艿朗?code>內(nèi)存級(jí)文件，所以只有創(chuàng)建的子進(jìn)程可以獲得父進(jìn)程創(chuàng)建的匿名管道，所以常用于父子間通信 -- pipe 打開匿名管道。
   4.在匿名管道的通信中，寫入的次數(shù)，和讀取的次數(shù)，不是嚴(yán)格匹配的，讀寫次數(shù)的多少?zèng)]有強(qiáng)相關(guān) — 因?yàn)榫彌_區(qū)的讀寫都是以字節(jié)為單位 — 字節(jié)流
4. 具有一定的協(xié)同能力，讓read和write能夠按照一定的步驟進(jìn)行通信 — 自帶同步機(jī)制

場(chǎng)景

1. 如果我們r(jià)ead，讀端，讀取完畢了所有的管道數(shù)據(jù)，如果對(duì)方不發(fā)，讀端就會(huì)堵塞
2. 如果我們write，寫端，將管道寫滿了，那就暫時(shí)不能繼續(xù)寫了，需要讀端讀取數(shù)據(jù)，被讀取的數(shù)據(jù)從管道中去除，就可以繼續(xù)寫入
3. 如果我們關(guān)閉了寫端，讀取完畢管道數(shù)據(jù)，再讀，就會(huì)讀到文件尾，read就會(huì)返回0。
4. 寫端一直寫，讀端關(guān)閉，操作系統(tǒng)會(huì)發(fā)送13號(hào) SIGPIPE信號(hào)殺死寫端的進(jìn)程。

當(dāng)單次寫入的數(shù)據(jù)量不大于PIPE_BUF時(shí)，LInux將保證寫入的原子性
反之大于PIPE_BUF時(shí)，Linux不再保證寫入的原子性。
目前的理解是，保證寫入時(shí)不會(huì)被讀取

結(jié)束語(yǔ)

本篇博客的內(nèi)容到此就結(jié)束了。

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