【进程间通信】----管道

进程间通信的概念：

进程间通信（IPC，InterProcess Communication）是指在不同进程之间传播或交换信息。IPC的方式通常有管道（包括无名管道和命名管道）、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。
以Linux中的C语言编程为例。
进程通信的本质是两个毫不相干的进程，看到了同一份资源（这个资源有操作系统提供)。

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进程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，并能够及时知道它们的状态改变。
  进程间通信的发展

• 管道

• system v进程间通信

• POSIX进程间通信
  进程间通信的分类

• 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

1、管道的概念

• 管道是Unix中最古老的进程间通信方式。
• 我们把一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个管道
  模型
  
• 管道是一种最基本的IPC模式，主要作用于血缘关系的进程之间，主要是为了完成数据传递，调用pipe系统函数即可创建一个管道，有如下的本质：
  1、本质是一个伪文件（实为内核缓冲区）
  2、由两个文件描述符引用，一个表示读端一个表示写端。
  3、规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出管道。
  管道的原理，管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区（4k）实现。
  下面我们通过一个例子来进行描述从键盘读取数据，写入管道，读取管道，写到屏幕

 #include                                                                                                                  
  2 #include 
  3 #include 
  4 #include 
  5 int main(void){
  6     int fds[2];
  7     char buf[100];
  8     int len;
  9     
 10     if(pipe(fds)==-1)
 11         perror("make pipe");
 12         exit(1);
 13     // read from stdin
 14         while(fgets(buf,100,stdin)){
 15             len=strlen(buf);
 16      //write into pipe
 17             if(write(fds[1],buf,len)!=len){
 18                 perror("write to pipe");
 19                 break;
 20             }
 21             memset(buf,0x00,sizeof(buf));
 22      //read from pipe
 23             if((len=read(fds[0],buf,100))==-1){
 24                 perror("read from pipe");
 25                 break;
 26             }
 27     //write to stdout
 28 
 29             if(write(1,buf,len)!=len){
 30                 perror("write to stdout");
 31                 break;
 32             }
 33         }

用fork共享管道原理

站在文件描述符的角度——深度理解管道
1）父进程创建管道

2）父进程fork出子进程

3）父进程关闭fd[0],子进程关闭fd[1]

站在内核的角度——管道本质

所以，看待管道，就如同看待文件一样！管道的使用和文件一致，迎合了“Linux下一切皆文件的思想”。

2、管道的特点

• 数据自己读不能自己写。
• 数据一旦被读走，便不再管道中存在，不可反复读取。一般而言进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程。
• 由于管道采用的是半双工通信方式，因此数据之中能在一个数据流方向上移动。当我们要进行双方通信的时候，我们必须建立起两个管道。
• 只能在具有公共祖先的进程间使用管道。（具有亲缘关系的进程）之间的通信；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。
• 管道自带同步与互斥：a）数据不一致；b）临界资源：两个进程看到的公共资源；c）访问临界资源的代码（临界区）；d）互斥：任何一个时刻访问临界资源时，只有一个人访问资源，具有一定的合法的顺序性。e）访问资源的原子性（原子性：当我们在进行某种状态时，要么做完，要么不去做，不会有中间态）；
• 常见的通信方式主要有：单工通信、全双工通信、半双工通信
  
  管道的读写规则
• 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

命名管道（FIFO）

• 管道应用的限制就是只能呢个在你具有相同祖先（具有亲缘关系）的进程间的通信。
• 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的这条命令
  $ mkfifo filename

• 命名管道也可以从程序中创建，相关的函数有：
  int mkfifo（const char* filename，mode_t mode）；
  创建命名管道：

intmain（int argc，char* argv[]）
{
     mkfifo（“p2”，0644）；
     return 0；
}

匿名管道 与命名管道的区别

• 匿名管道由pipe函数进行创建并打开
• 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）之间唯一的区别在于它们的创建与打开的方式不同，一旦这些工作完成之后，它们具有相同的意义。命名管道文件在硬盘上，是可见的。
  使用命名管道实现文件拷贝
  读取文件写入命名管道

#include 
  2 #include 
  3 #include 
  4 #include 
  5 #include 
  6 
  7 
  8 #define ERR_EXIT(m)\
  9     do\
 10 {\
 11     perror(m);\
 12     exit(EXIT_FAILURE);\
 13 }while(0)
 14 
 15 int main(int argc ,char* argv[]){
 16     mkfifo("tp",0644);//创建命名管道
 17     int infd;
 18     infd=open("abc",O_RDONLY);//打开一个已有的abc文件
 19     if(infd==-1)ERR_EXIT("open");
 20 
 21     int outfd;
 22     outfd=open("tp",O_WRONLY);//打开管道准备写入
 23     if (outfd==-1)ERR_EXIT("open");
 24 
 25     char buf[1024];
 26     int n;
 27     while((n=read(infd ,buf,1024))>0){//将abc文件的内容读到数组buf中
 28         write(outfd,buf,n);//   然后写入管道中
 29     }
 30     close(infd);
 31     close(outfd);
 32     return 0;
 33 }                

 #include 
  2 #include 
  3 #include 
  4 #include 
  5 #include 
  6 
  7 #define ERR_EXIT(m)\
  8 do \
  9 { \
 10      perror(m);\                                                                                                                                          
 11      exit(EXIT_FAILURE);\
 12      }while(0)
 13 
 14 
 15 
 16 int main(){
 17     int outfd;
 18     outfd=open("abc.bak",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0644);//创建目标文件文件
 19     if(outfd==-1)ERR_EXIT("open");
 20 
 21     int infd;
 22     infd=open("tp",O_RDONLY);
 23     if(outfd==-1)
 24         ERR_EXIT("open");
 25 
 26     char buf[1024];
 27     int n;
 28     while((n=read(infd,buf,1024))>0){//将管道中的数据读到数组buf当中
 29         write(outfd,buf,n);//将数组中的内容写到buf当中，必须试确定的字节数
 30     }
 31     close(infd);
 32     close(outfd);
 33     unlink("tp");
 34     return 0;
 35 }
~               

我们需要先创建一个文件abc，先将源文件传输到管道，再从管道输入到目的文件当中，进程间的通信需要在两个终端下进行，以上的代码就是由管道当媒介进行两个进程之间的通信。