[Linux]進(jìn)程間通信–管道

進(jìn)程間通信的目的

• 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 。
• 資源共享：多個(gè)進(jìn)程之間共享同樣的資源。
• 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）。
• 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)知道它的狀態(tài)改變。

實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信的原理

進(jìn)程是具有獨(dú)立性的，一個(gè)進(jìn)程是無(wú)法看到另一個(gè)進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)的，為了讓進(jìn)程間通信，要做的工作就是讓不同的進(jìn)程看到同一份“資源”。

任何進(jìn)程通信手段需要解決的問(wèn)題如下：

• 讓不同的進(jìn)程看到同一份“資源”
• 讓一方進(jìn)行讀取，另一方進(jìn)行寫(xiě)入

不同的進(jìn)程間通信手段本質(zhì)的區(qū)別就是讓不同的進(jìn)程看到同一份“資源”的方式不同。

匿名管道

匿名管道是一種以文件為媒介的通信方式，匿名管道是一個(gè)內(nèi)存級(jí)別的文件，擁有和普通文件一樣的緩沖區(qū)，但是操作系統(tǒng)不會(huì)將緩沖區(qū)刷新至外設(shè)，匿名管道雖然是文件，但是由于沒(méi)有文件路徑，進(jìn)程是無(wú)法通過(guò)系統(tǒng)文件接口來(lái)操作的，因此匿名管道通常用于父子進(jìn)程之間使用。

匿名管道的通信原理

由于匿名管道沒(méi)有文件路徑，進(jìn)程是無(wú)法通過(guò)系統(tǒng)文件接口來(lái)操作的特性，匿名管道必須通過(guò)父進(jìn)程創(chuàng)建，子進(jìn)程繼承父進(jìn)程文件描述符表的方式，使得不同的進(jìn)程看到同一個(gè)文件：

由于匿名管道只支持單向通信，在使用匿名管道進(jìn)行通信時(shí)，父進(jìn)程必須分別以讀方式和寫(xiě)方式打開(kāi)管道文件，子進(jìn)程繼承了文件描述符表后，一方關(guān)閉讀端，一方關(guān)閉寫(xiě)端進(jìn)行通信。

注意： 如果父進(jìn)程只以讀方式或者寫(xiě)方式打開(kāi)，子進(jìn)程繼承文件描述符表后，也是同樣的方式，子進(jìn)程自身無(wú)法打開(kāi)該管道，因此導(dǎo)致無(wú)法通信。

系統(tǒng)接口

Linux系統(tǒng)提供了創(chuàng)建匿名管道的系統(tǒng)接口pipe:

//pipe所在的頭文件和聲明
#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

• pipefd為輸出型參數(shù)，用于接收以讀方式和寫(xiě)方式打開(kāi)管道的文件描述符。
• pipefd[0]獲取讀端文件描述符，pipefd[1]獲取寫(xiě)端文件描述符。
• 成功返回0，失敗返回-1，錯(cuò)誤碼被設(shè)置。

編寫(xiě)如下代碼測(cè)試pipe接口：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>

using namespace std;

int main()
{
    //創(chuàng)建管道
    int pipefd[2] = { 0 };
    int n = pipe(pipefd);
    if (n < 0)//出錯(cuò)判斷
    {
        cout << "errno: " << errno << "strerror: " << strerror(errno) << endl;
        exit(1); 
    }
    //創(chuàng)建子進(jìn)程
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);//出錯(cuò)判斷

    //進(jìn)行通信 -- 父進(jìn)程進(jìn)行讀取，子進(jìn)程進(jìn)行寫(xiě)入
    if (id == 0)
    {
        //子進(jìn)程
        close(pipefd[0]);
        
        const string str = "hello world";
        int cnt = 1;
        char buffer[1024];
        while(1)
        {
            snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s, 我是子進(jìn)程, 我的pid:%d, 計(jì)數(shù)器:%d", str.c_str(), getpid(), cnt++);
            write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));//向管道寫(xiě)入數(shù)據(jù)
            sleep(1);
        }
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    //父進(jìn)程
    close(pipefd[1]);
    char buffer[1024];
    while(1)
    {
        read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);//從管道讀取數(shù)據(jù)
        cout << "我是父進(jìn)程," << "child give me: " << buffer << endl;
    }
    close(pipefd[0]);
    return 0;
}

編譯代碼運(yùn)行查看結(jié)果：

從運(yùn)行結(jié)果可以看出，建立管道后，父子進(jìn)程就能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

管道特性

1. 單向通信，半雙工的，數(shù)據(jù)只能向一個(gè)方向流動(dòng)；需要雙方通信時(shí)，需要建立起兩個(gè)管道
2. 管道的本質(zhì)是文件，因此管道的生命周期隨進(jìn)程
3. 管道通信，通常適用于具有“血緣關(guān)系的進(jìn)程”，諸如父子進(jìn)程、兄弟進(jìn)程等
4. 管道的數(shù)據(jù)是以字節(jié)流的形式傳輸?shù)模x寫(xiě)次數(shù)的多數(shù)不是強(qiáng)相關(guān)的
5. 具有一定的協(xié)同機(jī)制

管道的協(xié)同場(chǎng)景

場(chǎng)景一： 如果管道內(nèi)部的數(shù)據(jù)被讀端讀取完了，寫(xiě)端不寫(xiě)入，讀端就只能等待

編寫(xiě)如下代碼（如下代碼只是在前文測(cè)試pipe接口的代碼上做略微改動(dòng)，主要改動(dòng)已用-----標(biāo)識(shí)）進(jìn)行驗(yàn)證：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>

using namespace std;

int main()
{
    //創(chuàng)建管道
    int pipefd[2] = { 0 };
    int n = pipe(pipefd);
    if (n < 0)
    {
        cout << "errno: " << errno << "strerror: " << strerror(errno) << endl;
        exit(1); 
    }
    //創(chuàng)建子進(jìn)程
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);

    //進(jìn)行通信 -- 父進(jìn)程進(jìn)行讀取，子進(jìn)程進(jìn)行寫(xiě)入
    if (id == 0)
    {
        //子進(jìn)程
        close(pipefd[0]);
        
        const string str = "hello world";
        int cnt = 1;
        char buffer[1024];
        while(1)
        {
            snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s, 我是子進(jìn)程, 我的pid:%d, 計(jì)數(shù)器:%d", str.c_str(), getpid(), cnt++);
            write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));
            sleep(100); // ---------  模擬寫(xiě)入暫停  --------- 
        }
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    //父進(jìn)程
    close(pipefd[1]);
    char buffer[1024];
    while(1)
    {
        read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        cout << "我是父進(jìn)程," << "child give me: " << buffer << endl;
    }
    close(pipefd[0]);
    return 0;
}

編譯代碼運(yùn)行查看結(jié)果：

場(chǎng)景二： 如果管道內(nèi)部的數(shù)據(jù)被寫(xiě)端寫(xiě)滿(mǎn)了，讀端不讀取，寫(xiě)端無(wú)法繼續(xù)寫(xiě)入

編寫(xiě)如下代碼（如下代碼只是在前文測(cè)試pipe接口的代碼上做略微改動(dòng)，主要改動(dòng)已用-----標(biāo)識(shí)）進(jìn)行驗(yàn)證：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>

using namespace std;

int main()
{
    //創(chuàng)建管道
    int pipefd[2] = { 0 };
    int n = pipe(pipefd);
    if (n < 0)
    {
        cout << "errno: " << errno << "strerror: " << strerror(errno) << endl;
        exit(1); 
    }
    //創(chuàng)建子進(jìn)程
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);

    //進(jìn)行通信 -- 父進(jìn)程進(jìn)行讀取，子進(jìn)程進(jìn)行寫(xiě)入
    if (id == 0)
    {
        //子進(jìn)程
        close(pipefd[0]);
        
        const string str = "hello world";
        int cnt = 1;
        char buffer[1024];
        while(1)
        {
            snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s, 我是子進(jìn)程, 我的pid:%d, 計(jì)數(shù)器:%d", str.c_str(), getpid(), cnt++);
            write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));
            printf("cnt: %d\n", cnt); // ---------  顯示寫(xiě)入過(guò)程  --------- 
            //sleep(100);
        }
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    //父進(jìn)程
    close(pipefd[1]);
    char buffer[1024];
    while(1)
    {
        sleep(100); // ---------  模擬讀取暫停  --------- 
        read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        cout << "我是父進(jìn)程," << "child give me: " << buffer << endl;
    }
    close(pipefd[0]);
    return 0;
}

編譯代碼運(yùn)行查看結(jié)果：

場(chǎng)景三： 寫(xiě)端關(guān)閉，讀端讀完了管道內(nèi)部的數(shù)據(jù)時(shí)，再讀就讀到了文件的結(jié)尾。

編寫(xiě)如下代碼（如下代碼只是在前文測(cè)試pipe接口的代碼上做略微改動(dòng)，主要改動(dòng)已用-----標(biāo)識(shí)）進(jìn)行驗(yàn)證：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>

using namespace std;

int main()
{
    //創(chuàng)建管道
    int pipefd[2] = { 0 };
    int n = pipe(pipefd);
    if (n < 0)
    {
        cout << "errno: " << errno << "strerror: " << strerror(errno) << endl;
        exit(1); 
    }
    //創(chuàng)建子進(jìn)程
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);

    //進(jìn)行通信 -- 父進(jìn)程進(jìn)行讀取，子進(jìn)程進(jìn)行寫(xiě)入
    if (id == 0)
    {
        //子進(jìn)程
        close(pipefd[0]);
        
        const string str = "hello world";
        int cnt = 1;
        char buffer[1024];
        while(1)
        {
            snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s, 我是子進(jìn)程, 我的pid:%d, 計(jì)數(shù)器:%d", str.c_str(), getpid(), cnt++);
            write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));
            printf("cnt: %d\n", cnt);
            sleep(1);
            if (cnt == 5) break; // ---------  寫(xiě)端關(guān)閉  --------- 
        }
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    //父進(jìn)程
    close(pipefd[1]);
    char buffer[1024];
    while(1)
    {
        int n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (n > 0)
        {
            cout << "我是父進(jìn)程," << "child give me: " << buffer << endl;
        }
        else if (n == 0)// ---------  判斷讀取到文件末尾  --------- 
        {
            cout << "讀取完畢, 讀到文件結(jié)尾" << endl;
            break;
        }
        else
        {
            cout << "讀取出錯(cuò)" << endl;
            break;
        }
    }
    close(pipefd[0]);
    return 0;
}

編譯代碼運(yùn)行查看結(jié)果：

**場(chǎng)景四：**寫(xiě)端一直寫(xiě)，讀端關(guān)閉，操作系統(tǒng)會(huì)給寫(xiě)端發(fā)送13號(hào)信號(hào)終止進(jìn)程。

編寫(xiě)如下代碼（如下代碼只是在前文測(cè)試pipe接口的代碼上做略微改動(dòng)，主要改動(dòng)已用-----標(biāo)識(shí)）進(jìn)行驗(yàn)證：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>

using namespace std;

int main()
{
    //創(chuàng)建管道
    int pipefd[2] = { 0 };
    int n = pipe(pipefd);
    if (n < 0)
    {
        cout << "errno: " << errno << "strerror: " << strerror(errno) << endl;
        exit(1); 
    }
    //創(chuàng)建子進(jìn)程
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);

    //進(jìn)行通信 -- 父進(jìn)程進(jìn)行讀取，子進(jìn)程進(jìn)行寫(xiě)入
    if (id == 0)
    {
        //子進(jìn)程
        close(pipefd[0]);
        
        const string str = "hello world";
        int cnt = 1;
        char buffer[1024];
        while(1)
        {
            snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s, 我是子進(jìn)程, 我的pid:%d, 計(jì)數(shù)器:%d", str.c_str(), getpid(), cnt++);
            write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));
            printf("cnt: %d\n", cnt);
            sleep(1);
        }
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    //父進(jìn)程
    close(pipefd[1]);
    char buffer[1024];
    while(1)
    {
        int cnt = 0;
        //sleep(100);
        int n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (n > 0)
        {
            cout << "我是父進(jìn)程," << "child give me: " << buffer << endl;
        }
        else if (n == 0)
        {
            cout << "讀取完畢, 讀到文件結(jié)尾" << endl;
            break;
        }
        else
        {
            cout << "讀取出錯(cuò)" << endl;
            break;
        }
        //sleep(100);
        sleep(5);
        break;// ---------  讀端關(guān)閉  --------- 
    }
    close(pipefd[0]);
    int status = 0;
    waitpid(id, &status, 0);
    cout << "signal: " << (status & 0x7F) << endl;// --------- 回收子進(jìn)程獲取退出信號(hào)  --------- 
    sleep(3);
    return 0;
}

編譯代碼運(yùn)行查看結(jié)果：

管道的大小

在Linux下，管道（Pipe）的大小受到操作系統(tǒng)的限制。具體來(lái)說(shuō)，管道的大小由內(nèi)核參數(shù)PIPE_BUF定義，通常是4096個(gè)字節(jié)。

• 當(dāng)要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)量不大于PIPE_BUF時(shí)，linux將保證寫(xiě)入的原子性。
• 當(dāng)要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)量大于PIPE_BUF時(shí)，linux將不再保證寫(xiě)入的原子性。

命名管道

命名管道同樣是內(nèi)存級(jí)的文件，和匿名管道的區(qū)別就是命名管道可以在指定路徑下創(chuàng)建，并且命名可以指定，因此命名管道可以給任何兩個(gè)不同的進(jìn)程用于通信。

使用指令創(chuàng)建命名管道

Linux下使用mkfifo 指令就可以在指定路徑下創(chuàng)建命名管道。

命名管道同樣和匿名管道一樣滿(mǎn)足管道的協(xié)同場(chǎng)景：

寫(xiě)端嘗試打開(kāi)管道文件，沒(méi)有讀端，寫(xiě)端就會(huì)卡在打開(kāi)文件這一步驟。

右側(cè)讀端開(kāi)始會(huì)等待寫(xiě)端寫(xiě)入，后續(xù)關(guān)閉右側(cè)讀端，左側(cè)寫(xiě)端進(jìn)程直接被終止。

使用系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建命名管道

//mkfifo所在的頭文件和聲明
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

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

• pathname參數(shù) – 創(chuàng)建命名管道的路徑
• mode參數(shù) – 創(chuàng)建命名管道的文件權(quán)限
• 成功返回0，失敗返回-1,錯(cuò)誤碼被設(shè)置。

為了測(cè)試mkfifo接口編寫(xiě)代碼進(jìn)行測(cè)試，首先設(shè)置文件結(jié)構(gòu)如下：

makefile文件內(nèi)容如下：

.PHONY:all
all:client server

client:client.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11

server:server.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf client server

common.hpp主要用于讓兩個(gè)進(jìn)程獲取管道路徑，具體內(nèi)容如下：

#include <iostream>
#include <string>

#define NUM 1024

const std::string pipename = "./namepipe"; //管道的路徑和管道名

mode_t mode = 0666; //創(chuàng)建管道的文件權(quán)限

client.cc作為寫(xiě)端輸入數(shù)據(jù),具體內(nèi)容如下：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include "commn.hpp"

int main()
{
    // 打開(kāi)管道文件
    int wfd = open(pipename.c_str(), O_WRONLY);
    if (wfd < 0)
    {
        std::cerr << "errno : " << errno << "strerror : " << strerror(errno) << std::endl;
        exit(1);
    }

    //進(jìn)行通信
    while(true)
    {
        char buffer[NUM];
        std::cout << "請(qǐng)輸入內(nèi)容：";
        fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);//獲取用戶(hù)輸入
        buffer[strlen(buffer) - 1] = 0;

        if (strcasecmp(buffer, "quit") == 0) break;//用戶(hù)輸入quit退出進(jìn)程

        ssize_t size = write(wfd, buffer, strlen(buffer));
        assert(size >= 0);
        (void)size;
    }

    close(wfd);
    return 0;
}

server.cc作為讀端用于接收寫(xiě)端的輸入并打印,具體內(nèi)容如下：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include "commn.hpp"

int main()
{
    umask(0);
    // 創(chuàng)建管道文件
    int n = mkfifo(pipename.c_str(), mode);
    if (n < 0)
    {
        std::cerr << "errno : " << errno << "strerror : " << strerror(errno) << std::endl;
        exit(1);
    }
    std::cout << "create fifo file success" << std::endl;

    // 以讀方式打開(kāi)管道文件
    int rfd = open(pipename.c_str(), O_RDONLY);
    if (rfd < 0)
    {
        std::cerr << "errno : " << errno << "strerror : " << strerror(errno) << std::endl;
        exit(2);
    }

    // 進(jìn)行通信
    while (true)
    {
        char buffer[NUM];

        ssize_t size = read(rfd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        buffer[size] = 0;
        if (size > 0)
        {
            std::cout << "client send me :" << buffer << std::endl;//輸出接收的信息
        }
        else if (size == 0)
        {
            std::cout << "client quit, me too!" << std::endl;
            break;
        }
        else
        {
            std::cerr << "errno : " << errno << "strerror : " << strerror(errno) << std::endl;
            break;
        }
    }

    close(rfd);
    unlink(pipename.c_str()); // 刪除文件
    return 0;
}

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