【LInux】进程间通信 -- 匿名管道

前言

我们在学习进程管理，进程替换时，都强调了进程的独立性，那进程间通信是什么？这好像和进程的独立性相矛盾吧？
那么今天，我们就来学习进程间通信，和第一种通信方式 – 管道

一. 进程间通信

进程间通信，并没有破坏进程的独立性这一特点，这点我们在管道讲解
而进程通信的目的有如下几个：

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（如进程终止时要通知父进程）
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），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，并能够及时找到它的状态改变。

进程间通信的三种常用方法

1. 管道

匿名管道pipe
命名管道

2. System V进程间通信

System V消息队列
System V共享内存
System V信号量

3. POSIX进程间通信

消息队列
共享内存
信息号
互斥量
条件变量
读写锁

进程依旧具有独立性，一个进程不可能可以直接从另一个进程的堆，栈区获取数据，那么进程间通信是怎么实现的呢？
要让两个不同的进程，进行通信，前提条件是：先让不同进程，看到同一份“资源”

而管道就是，看到同一份“资源”的实现方式之一

二. 管道

管道是Unix中最古老的进程间通信形式
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”
我们在Linux指令中使用的| 就是管道
who | wc -l，who可以查看有几个用户登录服务器，wc可以统计有几行文本行
这里就是who创建进程，先显示有几个用户，然后将数据传输给wc，wc处理完再输出结果

我们再具象的理解管道

当我们创建一个进程，OS会创建task_struct维护，管理进程。而该结构体里有一个strust file_struct*，指向一个结构体，该结构体是管理文件的，里面存储了打开文件的文件描述符，默认0,1，2分别是标准输出，标准输入，标准错误
而Linux下一切皆文件，管道也是文件，但是是OS为了实现进程间通信，而临时创建的一个内存文件。默认是空闲文件描述符的后两个。如下图

而创建子进程，需要重新创建task_struct ，但是struct files_struct的内容是拷贝父进程的，但也仅是拷贝，拷贝一份文件描述符和文件的映射关系，不会重新创建新文件
fork创建子进程后，只会赋值进程相关的数据结构对象，不会复制父进程曾经打开的文件对象！就像浅拷贝一样

这种管道，只支持单向通信，叫做匿名管道。因为文件只有一个缓冲区，所以读写同时只能进行一项
所以我们需要手动确定数据流向，关闭不需要的文件描述符fd

三. 匿名管道的使用

接下来，我们就来简单模拟一下进程间通信。

用匿名管道实现进程通信，需要父进程创建匿名管道，创建的方法是使用pipe函数

该函数的参数较为特殊：是输出型参数。类似waitpid的status。
我们传过去一个2大小的整型数组，pipe函数内部会将创建的管道的读和写两个文件描述符写入这个数组，返回给我们

返回值：成功调用，返回0；错误，返回-1，并设置错误码。

1. pipe的使用

我们首先使用一下pipe函数，看一下其效果

#include
#include
#include
#include

using std::cout;
using std::endl;

int main()
{
    //创建管道所需传参的数组
    int pipefd[2]={0};
    
    //1.创建管道
    int n=pipe(pipefd);
    if(n<0)
    {
        //如果返回值小于0，即-1，还会设置错误码
        //我们再把错误码对应的错误信息，打印一下
        cout<<"pipe error,"<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl;
        return 1;
    }
    cout<<"pipefd[0]:"<<pipefd[0]<<endl;
    cout<<"pipefd[1]:"<<pipefd[1]<<endl;

    return 0;
}

正如前面所说，管道的两个文件描述符，默认使用当前空闲的前两个文件描述符。
管道创建的两个文件描述符，默认第一个是读，第二个是写

记忆法
pipe[0]的是读端，0 -> 嘴巴 -> 读
pipe[1]的是写端，1 -> 笔 -> 写

2. 准备通信

我们知道了管道的创建方法，接下来就可以准备实现父子进程通信了。
我们上面说到，进程间通信的前提条件就是：让不同的进程，看到同一份资源。
管道就可以是这份资源，我们模拟父子进程通信，让子进程往管道里写数据，然后父进程接收数据

代码如下：

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

using std::cout;
using std::endl;

int main()
{
    //创建管道所需传参的数组
    int pipefd[2]={0};
    
    //1.创建管道
    int n=pipe(pipefd);
    if(n<0)
    {
        //如果返回值小于0，即-1，还会设置错误码
        //我们再把错误码对应的错误信息，打印一下
        cout<<"pipe error,"<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl;
        return 1;
    }
    cout<<"pipefd[0]:"<<pipefd[0]<<endl;//读端
    cout<<"pipefd[1]:"<<pipefd[1]<<endl;//写端

    //2.创建子进程
    pid_t id = fork();
    //获取错误。意料之外，使用if；意料之中，用assert
    //此处应该使用if，但为了简单一些，使用assert
    assert(id!=-1);

    if(id==0)
    {
        //子进程
        
        //3.关闭不需要的fd
        close(pipefd[0]);//关闭子进程的读端

        //4.开始通信
        const std::string namestr="hello ,我是子进程";
        int cnt=1;//计数器

        char buffer[1024];//write的字符数组

        while(true)
        {
            //将内容写入buffer字符串
            snprintf(buffer,sizeof(buffer)-1,"%s,计数器：%d,我的PID:%d\n",namestr.c_str(),cnt++,getpid());
            //将内容写入管道
            write(pipefd[1],buffer,strlen(buffer));
            sleep(1);
        }

        //关闭子进程的写端，再exit退出
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    //父进程

    //3.关闭不需要的fd
    //让父进程进行读取
    close(pipefd[1]);//关闭父进程的写端

    //4.开始通信
    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        //读取的大小，至少要留一个位置写入\0
        int n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(n>0)
        {
            buffer[n]='\0';
            cout<<"我是父进程, child give me a message: "<<buffer<<endl;
        }
    }

    
    //关闭父进程的读端，结束进程
    close(pipefd[0]);
    return 0;
}

这样我们就实现了父子进程的通信。

3. 匿名管道的特点和场景

1. 当我们将子进程写入数据的sleep(1)注释掉。程序运行的结果就变得不一样了。
   
   我们看到，子进程写了很多次，父进程才进行了一次读取。
   我们再改变一下，在子进程写入后的sleep改成sleep(5)
   在父进程读取数据时，我们10个字节，10个字节的读取
   
   程序运行结果就又变了
   

这两个实验验证出了这样一个结论：
在匿名管道的通信中，写入的次数，和读取的次数，不是严格匹配的，读写次数的多少没有强相关 — 因为缓冲区的读写都是以字节为单位 — 字节流

2. 接下来，我们再做个实验：
   我们让父进程正常的读取数据，但子进程每次写入间隔10秒。
   
   观察运行，我们发现，我们让子进程写入变慢，但是父进程的读取也变慢了。这是怎么回事呢？

首先，管道文件的数据类似队列，写入一次是入队列，读取是出队列，只要读取，数据就没了。
所以，子进程写入变慢，父进程没有东西可读，就进入了阻塞状态。

3. 我们再让父进程的读取变慢，子进程正常写入
   
   
   

我们发现，管道进行了65536(从0开始)次写入之后就没有写入了。等父进程时间一到，读取了很多的X
而每次写入，我们都只写入1个字节。所以管道最多可以写入65536字节，也就是2的16次方，64kb，16个数据块。

4. 如果我们将子进程的写端关闭，父进程的读端继续，会发生什么呢？
   我们让子进程写入一次数据就关闭写端，父进程仍然一直读取数据，但要对read的返回值多作一个判断
   
   运行结果如下
   

当我们关闭子进程的写端，父进程再读取就会读到文件尾，就会返回0，父进程就终止了。

5. 如果我们关闭父进程的读端，结果又会是这样呢？

直接说结论：
当一个管道只有写端，没有读端，代表着无论怎么写，都不会有人获取，这是没有意义的事，而操作系统不会维护无意义的，低效率的，或者浪费资源的事情。OS会杀死一直在写入的这个进程！通过13号信号 SIGPIPE，杀死进程

接下来，我们总结一下匿名管道的特点和场景

特点

1. 单向通信，半双工的一种情况，双方同时只能一方写入
   因为匿名管道只有一个缓冲区，同时只能有一方进行读写。
   全双工，双方可以同时写入
2. 匿名管道的本质是文件，因为fd的生命周期随进程，所以管道的生命周期也是随进程的。
3. 匿名管道通信，通常用来进行具有“血缘关系”的进程之间的进程通信，因为匿名管道是内存级文件，所以只有创建的子进程可以获得父进程创建的匿名管道，所以常用于父子间通信 -- pipe 打开匿名管道。
   4.在匿名管道的通信中，写入的次数，和读取的次数，不是严格匹配的，读写次数的多少没有强相关 — 因为缓冲区的读写都是以字节为单位 — 字节流
4. 具有一定的协同能力，让read和write能够按照一定的步骤进行通信 — 自带同步机制

场景

1. 如果我们read，读端，读取完毕了所有的管道数据，如果对方不发，读端就会堵塞
2. 如果我们write，写端，将管道写满了，那就暂时不能继续写了，需要读端读取数据，被读取的数据从管道中去除，就可以继续写入
3. 如果我们关闭了写端，读取完毕管道数据，再读，就会读到文件尾，read就会返回0。
4. 写端一直写，读端关闭，操作系统会发送13号 SIGPIPE信号杀死写端的进程。

当单次写入的数据量不大于PIPE_BUF时，LInux将保证写入的原子性
反之大于PIPE_BUF时，Linux不再保证写入的原子性。
目前的理解是，保证写入时不会被读取

结束语

本篇博客的内容到此就结束了。

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