进程间通信【管道】

前提知识

概念： 进程间通信（IPC，Interprocess communication）是一组编程接口，让程序员能够协调不同的进程，使之能在一个操作系统里同时运行，并相互传递、交换信息。这使得一个程序能够在同一时间里处理许多用户的要求。IPC方法包括管道（PIPE）、消息排队、旗语、共用内存以及套接字（socket）。

通信目的：

• 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，并能够及时知道它的状态改变

如何实现通信？

要让两个不同的进程实现通信，前提条件是让它们看到同一份资源。所以要想办法让他们看到同一份资源，就需要采取一些手段，可以分为下面几种

1.管道（基于文件系统）

• 匿名管道pipe
• 命名管道

2.System V IPC（标准做法）

• System V 消息队列
• System V 共享内存
• System V 信号量

3. POSIX IPC（标准做法 ）

• 消息队列
• 共享内存
• 信号量
• 互斥量
• 条件变量
• 读写锁

管道

什么是管道

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”。它的特点是单向传输数据的，先进先出。

例如：cat file.txt | head -1

cat是一个进程，这个进程先处理，然后将处理后得到的标准输出到管道中，再由head进程通过标准输入将管道中的数据读出，再进行处理。

进程具有独立性，通信的成本不低———1.OS需要直接或者间接给通信双方提供“内存空间“ 2.要通信的进程必须看到一份公共的资源

匿名管道：父子两进程互相通信

#include
功能:创建一无名管道
原型
int pipe(int fd[2]);
参数
fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值:成功返回0，失败返回错误代码

用fork来共享管道原理

• 一般而言我我们用管道实现单项通信
• 父子进程通信可不可以创建全局缓冲区来完成通信呢? 不可以 ! 进程运行具有独立性，写时拷贝

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
  //fd[0]表示读，fd[1]表示写  
  int fds[2];
  int ret = pipe(fds);
  if (ret == -1){
    // 管道创建失败
    perror("make piep");
    exit(-1);
  }
  pid_t id = fork();
  assert(id>=0);
  if (id == 0){
    //子进程写，关闭读端
    close(fds[0]);
    //子进程的通信代码
    const char* s="我是子进程，我正在给你发消息";
    int cnt=0;
    while(1)
    {
        // char buffer[1024];//只有子进程能看到
        // snprintf(buffer,sizeof(buffer),"child->parent say:%s[%d][%d]\n", s,++cnt,getpid());
        const char* buffer = "hello father, I am child...";
        //向特定的文件描述符写数据
        //strlen不用+1，我们只需要写有效字段即可
        write(fds[1],buffer,strlen(buffer));
        sleep(5);
    }
    //子进程运行结束关闭写端
    close(fds[1]);
    exit(0);
  }
  //父进程读取,关闭写端
  close(fds[1]);
  //父进程的通信代码
  while(true)
  {
    char buffer[1024];
    //-1可以避免缓冲区被写满
    cout << "AAAAA" << endl;
    ssize_t s=read(fds[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
    cout << "BBBBB" << endl;
    if(s>0) buffer[s]=0;
    cout << "Get Message# " << buffer << "| my pid:" << getpid() << endl;
  }
  ret=waitpid(id,NULL,0);
  assert(ret=id);
  //父进程运行结束关闭读端
  close(fds[0]);
  //父进程没有sleep
  return 0;
}

前5秒

后5秒

我们发现第一次打印到AAAAA后会卡住，表明如果管道中没有数据，读端默认在读，默认会直接阻塞当前正在读取的进程

进程通信读写特征：

1.当没有数据可读时

• O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来为止
• O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。

2.当管道满的时候

• O_NONBLOCK disable：write调用阻塞，直到有进程读走数据
• O_NONBLOCK enable：write调用返回-1，errno值为EAGAIN

3.如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0。

4.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。

管道的特点

• 只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信；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。
• 一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程
• 互斥与同步机制———对共享资源的保护方案
• 半双工，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道
• 管道是面向字节流的（网络）

基于管道的进程池设计

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
#define Process_NUM 5
typedef void (*func_t)();
#define MakeSeed() srand((unsigned long)time(nullptr)^getpid())
void downLoadTask()
{
    cout << getpid() << " :下载任务" << endl;
    sleep(1);
}
void ioTask()
{
    cout << getpid() << " :IO任务" << endl;
    sleep(1);
}
void flushTask()
{
    cout << getpid() << " :刷新任务" << endl;
    sleep(1);
}
class subEp
{
public:
    subEp(pid_t id,int writeFd)
            :_id(id)
            ,_writeFd(writeFd)
    {
        char namebuffer[1024];
        snprintf(namebuffer,sizeof(namebuffer),"process-%d[pid(%d)-fd(%d)]",num++,_id,_writeFd);
        _name=namebuffer;
    }
    static int num;
    string _name;
    pid_t _id; //子进程pid
    int _writeFd; //父进程连接子进程管道的写端
};
int subEp::num=0;
int receive(int fds)
{
    int code=0;
    //子进程读
    ssize_t s=read(fds,&code,sizeof(code));
    //如果父进程不写的时候，子进程会读到0，读到0的时候我们可以返回
    if(s<=0)
    {
        return -1;
    }
    else
    {
        return code;
    }
}
void createSubProcess(vector<subEp>& subs,vector<func_t>& funcMap)
{
    vector<int> deleteFd;
    for(int i=0;i<Process_NUM;++i)
    {
        int fds[2];
        int n=pipe(fds);
        assert(n==0);
        (void)n;
        pid_t id=fork();
        if(id==0)
        {
            for(int j=0;i<deleteFd.size();++i)
            {
                close(deleteFd[i]);
            }
            //父进程打开的文件，会被子进程共享
            //上一个子进程曾经打开的写端也会被这个子进程继承下去
            //这样会导致当前进程会继承多个写端，写端没有被完全关闭，这样就读不到0，会导致依旧阻塞
            //但是最后一个进程没有子进程了，他所对应的文件描述符表就被关了
            //child关闭写端
            close(fds[1]);
            while(1)
            {
                //1.获取命令，如果没有发送，我们子进程应该阻塞
                int Commandcode=receive(fds[0]);
                //2.完成任务
                if(Commandcode>=0&&Commandcode<funcMap.size())
                {
                    funcMap[Commandcode]();
                }
                else if(Commandcode==-1)
                {
                    break;
                }
            }
            exit(0);
        }
        //父进程关闭读端
        close(fds[0]);
        subEp sub(id,fds[1]);
        //放到vector里面
        subs.push_back(sub);
        //把子进程的写端保存下来
        deleteFd.push_back(fds[1]);
    }
}
void loadTaskFunc(vector<func_t>& funcMap)
{
    funcMap.push_back(downLoadTask);
    funcMap.push_back(ioTask);
    funcMap.push_back(flushTask);
}
void sendTask(const subEp& sub,int taskId)
{
    //write返回实际写入的个数
    cout << "send TaskId " << taskId << " send to ->" << sub._name << endl;
    int n=write(sub._writeFd,&taskId,sizeof(taskId));
    assert(n==sizeof(int));
    (void)n;
}
void waitProcess(vector<subEp>& subs)
{
    int processnum=subs.size();
    for(int i=0;i<processnum;++i)
    {
        waitpid(subs[i]._id,nullptr,0);
    }
}
void BalancedControl(vector<subEp>& subs,vector<func_t>& funcMap,int cnt)
{
    int processnum=subs.size();
    //任务个数
    int tasknum=funcMap.size();
    int count=cnt;
    bool forever=false;
    if(cnt==0) forever=true;
    while(1)
    {
        //1.选择一个子进程
        int subId=rand()%processnum;
        //2.选择一个任务
        int taskId=rand()%tasknum;
        //3.发送给选择的进程
        sendTask(subs[subId],taskId);
        if(!forever)
        {
            --cnt;
            if(cnt==0) break;
        }
    }
    //写端关闭，子进程会读到0
    for(int i=0;i<processnum;++i)
    {
        close(subs[i]._writeFd);
    }
}
int main()
{
    MakeSeed();
    vector<func_t> funcMap;
    //把函数放到vector里面
    loadTaskFunc(funcMap);
    vector<subEp> subs;
    //创建子进程,子进程读取
    createSubProcess(subs,funcMap);
    //走到这一定是父进程,控制子进程，父进程写入
    //子进程个数
    //负载均衡
    //子进程执行cnt次，如果cnt=0就永远执行
    int cnt=200;
    BalancedControl(subs,funcMap,cnt);
    //回收子进程
    waitProcess(subs);
    return 0;
}

bug的问题，如果不修复，他会正常执行，但是会到最后一个在关闭，想正着关闭，就必须保存每个进程创建的写端，到另一个进程的时候把之前的进程都关闭

命名管道

概念

命名管道是一种特殊类型（符号性）的文件。在不相关（没有亲缘关系）的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作。

实验1:

做一个命令行的命名管道

mkfifo filename

输入一个shell脚本

cnt=0; while :; do echo "hello world -> $cnt "; let cnt++;sleep 1; done > named_pipe

管道文件大小没有变化！！！

命名管道如何做到让不同进程看到了同一份资源的？可以让不同进程打开指定名称（路径+文件名）的同一文件

（路径+文件名）=唯一性

实验2:

函数原型：
#include
#include
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
功能： 创建一个命名管道
参数：
pathname: 管道名称
mode: 权限
返回值： 创建成功返回0，失败返回-1

利用mkfifo函数可以做一个管道间的通信，client发送给server，server接受消息

comm.h

//让client 和 server看到同一份资源
#pragma once
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
#define NAME_PIPE "mypipe.txt"
bool createFifo(const std::string& path)
{
    umask(0);
    int n = mkfifo(path.c_str(), 0600);
    if (n == 0)
        return true;
    else
    {
        std::cout << "errno: " << errno << " err string: " << strerror(errno) << std::endl;
        return false;
    }
}
void removeFifo(const std::string& path)
{
    //移除文件
    int n=unlink(path.c_str());
    assert(n==0);
    (void)n;
}

client.cpp

#include"comm.h"
int main()
{
    int wfd=open(NAME_PIPE,O_WRONLY);
    if(wfd  < 0)
    {
        exit(-1);
    }
    //write
    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        cout << "please Say# " << endl;
        fgets(buffer,sizeof(buffer)-1,stdin);
        //其实if不写是可以的，因为至少会读到一个/n
        if(strlen(buffer)>0)
        {
            buffer[strlen(buffer)-1]=0;
        }
        ssize_t s=write(wfd,buffer,strlen(buffer));
        assert(s==strlen(buffer));
        (void)s;
    }
    close(wfd);
    removeFifo(NAME_PIPE);
    return 0;
}

server.cpp

#include"comm.h"
int main()
{
    cout << "hello server" << endl;
    createFifo(NAME_PIPE);
    //如果client不发消息，不会执行到server end，会在这里阻塞
    int rfd=open(NAME_PIPE,O_RDONLY);
    cout << "server end" << endl;
    if(rfd  < 0)
    {
        exit(-1);
    }
    //read
    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        ssize_t s=read(rfd,buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(s>0)
        {
            buffer[s]=0;
            cout << "client -> server# " << buffer << endl;
        }
        //对方关闭写描述符我们会读到0
        else if(s==0) 
        {
            break;
        }
        //出错
        else
        {
            cout << "error" << endl;
            break;
        }
    }
    close(rfd);
    removeFifo(NAME_PIPE);

    return 0;
}