Linux进程间通信——管道通信详解

引言

进程是相互独立的，每个进程都有自己的虚拟地址空间，虚拟地址空间通过页表的映射，映射到自己的物理内存上，互不影响。正因为如此，进程间通信就变得很麻烦，操作系统为了使进程间能够通信，会提供一个介质，让多个进程都能够访问，也就是在内存上开辟一块公共资源，让进程在公共资源上交流。

进程间通信

在Linux系统中，有时候需要多个进程之间相互协作，共同完成某项任务，进程之间或线程之间有时候需要传递信息，有时候需要同步协调彼此工作，则就会出现进程间通信。
信号也是进程间通信的一种机制，一个进程向另一个进程发送信号，但传送的信息只限于一个信号值。因此我们将介绍以下管道，通过它进程之间可以交换更有用的数据。

管道通信

管道可以用来两个进程之间传递数据，如ps -ef|grep “bash”,其中| 就是管道，作用就是将ps命令的结果写入管道文件，然后grep在从管道文件中读出该数据进行过滤。也就是连接一个读进程和一个写进程，以实现他们通信的一个共享文件。

**管道特性：不能能在创建时就确定确定数据流向（操作系统无法确定谁读谁写），而是在使用的时候确定，因此操作系统会提供两个描述符供使用，一个读一个写，这样的确定方向就是将对应的一段关闭掉即可，这样方向的控制权就交给了用户。

有名管道

概念

在文件系统目录中存在一个管道文件，它也仅仅是文件系统中的一个标识，并没有在磁盘上占据空间，在使用的时候在内存上开辟空间，作为两个进程数据交互的通道。

创建和打开

1、命令创建：

mkfifo filename

2、通过mkfifo函数，在代码中创建管道文件

#include
#include
int mkfifo(const char* filename,mode_t mode)

第一个参数代表路径，第二个参数代表权限值。

通信原理

以只写方式打开，写端，

#include
#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
	int fd = open("fifo",O_WRONLY);
	assert(fd != -1);
	printf("fd:%d\n",fd);
	while(1)
	{
		char buff[128] = {0};
		printf("input:\n");
		fgets(buff,128,stdin);
		if(strncmp(buff,"end",3) == 0)
		{
			break;
		}
		write(fd,buff,strlen(buff));
	}	
	close(fd);
	exit(0);
}

只读方式打开文件，读端

#include
#include
#include
#include
#include
#include


int main()
{
	int fd = open("fifo",O_RDONLY);
	assert(fd != -1);
	printf("fd=%d\n",fd);
	while(1)
	{
		char buff[128] = {0};
		int n = read(fd,buff,127);
		if(n == 0)
		{
			break;
		}
		printf("read(%d):%s\n",n,buff);
	}
	close(fd);
	exit(0);
}

一个进程如果以只读或只写的方式打开，就会被阻塞到open。


如图，直到另一个进程以只读只写打开。

read读取的时候，当没有数据写入时，会阻塞运行，直到管道中写入数据或者写端关闭


写端彻底关闭，读端也会关闭，返回0。

读端关闭，继续写产生信号

总结：
1、一个进程如果以只读或只写的方式打开，就会被阻塞到open。
2、如果管道对应的内存空间中没有数据，则read会阻塞，直到内存中写入数据或者写端关闭。
3、如果管道中对应的内存已满，write就会阻塞，直到内存中有空间或者读端关闭。管道为空 read阻塞****管道为满 write阻塞
4、如果管道的读端关闭，当写段继续写入数据时，就会产生SIGPIPE信号，修改默认的响应方式，信号被捕获之后执行信号处理函数fun。
5、如果两个进程都是读写的方式打开，会存在A读取数据是让B进行写的，结果成了A进程刚刚从终端读取数据写入管道，结果从从管道中把数据读取了这样的问题。由此，可以看出管道是一种半双工通信机制。

无名管道

概念

仅适用于具有亲缘关系(如父子进程)的进程间通信，因为无名管道无法被其他进程找到，也就无法通信，所以只能通过子进程复制父进程的方法，让子进程能够访问到相同的管道来实现通信。（借助父子进程共享fork之前打开的文件描述符）。

创建打开

函数原型

#include
#int pipe(int filedes[2])

1、pipe()函数的功能就是创建一个内存文件
2、由参数fildes中为进程返回两个文件描述符fildes[0]和fildes[1]。其中，fildes[0]是一个具有“只读”属性的文件描述符，fildes[1]是一个具有“只写”属性的文件描述符。filedes[1]的输出是filedes[0]的输入。
创建无名管道必须在创建子进程之前，否则子进程将无法复制。

通信原理

如果父进程创建一个管道之后，又创建了一个子进程，那么由于子进程继承了父进程的文件资源（复制了PCB，文件结构体，不仅仅是文件描述符）

对于父进程到子进程的通道，父进程关闭管道的读端fd[0],子进程关闭写端fd[1]。

只有一个进程时，读写管道文件。

#include
#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
	int fd[2];
	assert(pipe(fd) != -1);
	write(fd[1],"hello",5);
	char buff[128] = {0};
	read(fd[0],buff,127);

	printf("buff=%s\n",buff);
	close(fd[0]);
	close(fd[1]);
	exit(0);
}

创建由父进程到子进程的管道，父进程循环写入，子进程循环读取

#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
	int fd[2];
	assert(pipe(fd) != -1);
	pid_t pid = fork();
	assert(pid != -1);
	if(pid == 0)
	{
		close(fd[1]);
		while(1)
		{
			char buff[128] = {0};
			if(read(fd[0],buff,127) == 0)
			{
				break;
			}
			printf("child buff=%s\n",buff);
		}
		close(fd[0]);
		exit(0);
	}
	else
	{
		close(fd[0]);
		while(1)
		{
			char buff[128] = {0};
			fgets(buff,128,stdin);
			if(strncmp(buff,"end",3) == 0)
			{
				break;
			}
			write(fd[1],buff,strlen(buff));
		}
		close(fd[1]);
		exit(0);

	}
}

特点：
1、由于这种管道没有其他同步措施，所以为了不产生混乱，它只能是半双工的，即数据只能向一个方向流动。如果需要双方互相传递数据，则需要建立两个管道。
2、只能在父子进程等这些具有亲缘关系的进程之间通信。
3、写入的数据都在内存中

有名管道和无名管道的异同点

1、相同点：当open打开管道文件后，在内存中开辟了一段空间，管道的内容在内存中存放，有两个指针，一个头指针指向写的位置，一个尾指针指向读的位置，指向这个管道。读写数据都是在内存操作。半双工通信。

2、区别：有名管道在任意两个进程之间通信，无名管道在父子进程间通信。