Linux进程间通信——管道

IPC方法

• 概念：
  Linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess
  Communication）。

• 进程通信方式：在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法，如：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等。随着计算机的蓬勃发展，一些方法由于自身设计缺陷被淘汰或者弃用。现今常用的进程间通信方式有：

  ① 管道 (使用最简单)
  ② 信号 (开销最小)
  ③ 共享映射区 (无血缘关系)
  ④ 本地套接字 (最稳定)

管道

• 管道的概念： 管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：

  1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)

• 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。
  4. 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。
  5. 管道的局限性： ① 数据自己读不能自己写。② 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。 ③由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。 ④ 只能在有公共祖先的进程间使用管道。
  6. 常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信。

• pipe函数
  1、创建管道 ：int pipe(int fd[2])
  2、返回值：创建成功返回0，失败返回-1，并设置errno
  函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。规定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。
  管道的读写行为
  使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）：

管道的读写行为

• 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。

• 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。

• 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。

• 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。
  总结：①读管道：

  1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。
  2. 管道中无数据：
     (1) 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)
     (2) 写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)
     ② 写管道：
     1. 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)
     2. 管道读端没有全部关闭：
     (1) 管道已满，write阻塞。
     (2) 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

• 管道缓冲区大小

  1、可以使用ulimit –a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。通常为： pipe size (512 bytes, -p) 8
  2、也可以使用fpathconf函数，借助参数 选项来查看。使用该宏应引入头文件
  long fpathconf(int fd, int name); 成功：返回管道的大小 失败：-1，设置errno

• 管道的优劣

  优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。
  缺点：

  1. 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。
  2. 只能用于父子、兄弟进程(有共同祖先)间通信。该问题后来使用fifo有名管道解决。

• FIFO

• 概念：FIFO常被称为命名管道，以区分管道(pipe)。管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间。但通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。FIFO是Linux基础文件类型中的一种。但，FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道。各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道，这样就实现了进程间通信。

• 创建方式

1. 命令：mkfifo 管道名
2. 库函数：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 成功：0； 失败：-1
   一旦使用mkfifo创建了一个FIFO，就可以使用open打开它，常见的文件I/O函数都可用于fifo。如：close、read、write、unlink等。

代码实现父子进程之间通信

1. 要求：
   1、创建管道
   2、创建子进程
   3、父进程写数据
   4、子进程读数据

2. 代码
   

3. 结果如下：