进程间通信之管道

什么是进程间通信

首先，通过前面的学习。我们知道了进程是具有独立性的，绝大多数情况下，一个进程挂掉了并不会影响另外一个进程。进程和进程之间拥有自己的进程地址空间和自己的页表。我们谁也不知道对方的存在。 但是，我们今天却要让这两个进程认识到对方的存在！而进程认识到对方的存在就是进程间通信

为什么进程要通信

前面我们知道，进程具有独立性。那么既然如此，具有独立性了还要通信。这不是听起来是一件十分矛盾的事情吗？实际上，进程间通信不仅不会和独立性产生矛盾，而且进程间进行通信的情况还是很多的！
进程间通信主要有如下的作用：

1.数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
2.资源共享：多个进程之间共享同样的资源
3.通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件
4.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)

上述种种的情况都是需要两个进程间进行通信才能处理的。那么既然进程通信如此重要。那么如何让两个进程之间通信呢？通信的本质又是什么呢？

通信的本质是什么

在正式介绍进程间通信以前，我们先来看一看进程间通信的本质是什么。因为只有理解了本质，才能更好理解进程间通信的方式。 首先，我们知道进程是具有独立性的，也就是进程有自己的PCB,还有自己的进程地址空间。那么要想进行通信，首先第一步就是要有让两个进程能有一个双方都能看到的东西，然后两个进程在这个东西中进行交换资源的操作等等。 到这里，我们基本就可以确定了。进程间通信的本质是两个进程看到同一份资源！而这个资源可以是内存，文件等等一系列的资源
那么接下来我们就来看一看进程间通信的第一种方式：管道通信方式

什么是管道

首先，管道是进程间通信的一种方式。而进程间通信的本质是两个进程看到同一份资源，而管道就是这样一份资源。 Linux系统下一切皆文件。而管道本质就是一份在内存中打开的文件 而这个文件仅仅是用来让两个进程进行数据交换的，所以在通信结束完，管道的大小依旧是0。而Linux下有两种管道，首先我们先来看第一种：匿名管道。

匿名管道

所谓的匿名管道，就是没有名字的管道。对应使用的系统调用接口就是pipe接口 我们来看对应的系统接口说明：

这个接口的参数是一个数组，有两个元素，其实对应的就是两个被打开的文件fd ! 那么对于匿名管道而言，调用了这个接口以后，将会有两个文件同时被以读写方式打开！
你可能会好奇，为什么是读写方式打开，接下来和我们一起来回顾一下，操作系统在打开一个文件做了什么工作：

从图中就可以看出：以读写方式打开管道文件，那么一旦使用fork创建子进程，子进程一定也是以读写方式打开的文件！也就意味着，如果子进程只想读或者写，只要关闭另外的一种的方式即可！ 而如何记忆哪一个是读端，哪一个是写端呢？

0是嘴巴，嘴巴用来说话，所以pipefd[0]是读端，对应的1是笔，笔用来写字，所以对应的pipefd[1]是写端

接下来，我们就来让父进程写入数据，然后让对应的子进程从管道读取数据：

/*
 *匿名管道操作
 * */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
  //父进程进行写入，子进程进行读取
    int pipefd[2]={0};
    int res=pipe(pipefd);
    if(res < 0)
   {
    std::cerr<<"cretepipe failed"<<'\n';
    return 1;
   }
  //管道创建成功 
    pid_t id=fork();
    //parent---->负责往管道写数据(字符串)
    if(id > 0)
    {
       const char* msg="father"; 
      //关闭读段
       close(pipefd[0]);
       write(pipefd[1],msg,strlen(msg));
    }
    //child---->负责读取消息，并把消息打印到屏幕
    else 
    {
       char buff[128];
       close(pipefd[1]);
       ssize_t s=read(pipefd[0],buff,sizeof(buff));
       buff[s]='\0';
       std::cout<<"child proc read :"<<buff<<std::endl;
       close(pipefd[0]);
    }
    pid_t ret=waitpid(id,nullptr,0);
    if(ret > 0)
    {
      std::cout<<"wait success!"<<std::endl;
      close(pipefd[1]);
    }
    
  return 0;
}

可以看到，我们这边一写入数据。子进程很快就可以读取到！这就是管道。管道是自带访问控制的，这个意味着管道一旦写端写满了，读取端不进行读取。那么写端也会被阻塞！同样的，读端把管道读空了，而写端不进行写入，那么读端同样会被阻塞！

/*
 *匿名管道操作
 * */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
  //父进程进行写入，子进程进行读取
    int pipefd[2]={0};
    int res=pipe(pipefd);
    if(res < 0)
   {
    std::cerr<<"cretepipe failed"<<'\n';
    return 1;
   }
  //管道创建成功 
    pid_t id=fork();
    //parent---->负责往管道写数据(字符串)
    if(id > 0)
    {
       const char* msg="father"; 
      //关闭读段
       close(pipefd[0]);
       sleep(5);
       write(pipefd[1],msg,strlen(msg));
    }
    //child---->负责读取消息，并把消息打印到屏幕
    else 
    {
       char buff[128];
       close(pipefd[1]);
       std::cout<<"before read "<<(unsigned)time(nullptr)<<std::endl;
       ssize_t s=read(pipefd[0],buff,sizeof(buff));
       buff[s]='\0';
       std::cout<<"child proc read :"<<"time: " << (unsigned)time(nullptr)<<buff<<std::endl;
       close(pipefd[0]);
    }
    pid_t ret=waitpid(id,nullptr,0);
    if(ret > 0)
    {
      std::cout<<"wait success!"<<std::endl;
      close(pipefd[1]);
    }
    
  return 0;
}

从时间戳的时间不难可以看出，明明是父进程休眠了5秒才进行写入操作，然而子进程却也是等待到了5秒以后才读取到对应的数据，说明管道是自带访问控制机制的！ 除此之外，管道只支持单项数据。并且管道的数据也是面向字节流的！没有固定的格式，有的时候需要我们程序员手动设置数据的边界格式。

命名管道

接下来我们来讲命名管道。由于匿名管道只能作用在有血缘关系的进程之间，所以匿名管道的受限很大。因为不可 能所有的进程之间都有血缘关系。而命名管道这是能够让所有进程间进行通信的一种方式，无论这个进程是否有血缘关系。 而创建命名管道的方式有两种：

1.使用命令mkfifo + 管道权限
2.使用系统调用mkfifo创建

使用命令的方式相对比较简单，感兴趣的读者可以自行尝试。下面我们介绍使用系统接口的方式：
先来看一看手册中对于这个接口的说明：

下面我们就来使用以下对应的接口

//server.cc
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
  int ret=mkfifo(".fifo",0666);
  if(ret < 0)
  {
    std::cerr<<"create fail"<<std::endl;
    return 1;
  }
  //创建命名管道成功
  pid_t id=fork();
  //parent
  if(id > 0)
  {
    //往管道里写入数据
    const char* msg="I am parent";
    int fd=open(".fifo",O_WRONLY);
    if(fd < 0)
    {
      std::cerr<<"open fail"<<std::endl;
      return 2;
    }
    std::cout<<"我的pid是 "<<getpid()<<" 我要往管道写入内容"<<std::endl;
    write(fd,msg,strlen(msg));
  }
  return 0;
}
//client.cc
#include
#include
#include
#include
int main()
{
  int fd=open(".fifo",O_RDONLY);
  //管道由server创建，那么client只要负责从管道里面读取数据就好了
  char buff[128];
  std::cout<<"我的进程pid是 "<<getpid()<<std::endl;
  read(fd,buff,sizeof(buff));
  std::cout<<"read from .fifo "<< buff<<std::endl;

  return 0;
}

可以看到：这两个进程的pid已经没有任何亲缘关系，也就是这两个进程是独立的进程了，但是server进程写入的消息确实被client进程拿到了！ 这就是命名管道，实际上就是在内存中打开了一份文件，然后让不同的进程都能看到这一份文件，而剩下的操作就是正常对文件的操作了 这就是命名管道的原理

总结

1.进程间通信的本质是看到同一份资源
2.管道是进程间通信的一种方式
3.匿名管道使用系统接口pipe接口创建，pipefd[0]是读端，pipefd[1]是写端
只能用于两个有血缘关系的进程之间通信
4.命名管道使用命令mkfifo或者系统接口mkfifo,然后后面的操作全部都是文件操作
以上就是本文的主要内容，如有不足之处，还望指出。希望能够共同进步