目录
目录
零、前置知识
一、什么是进程间通信
(一)含义
(二)发展
(三)类型
1.管道
2.System V IPC
3.POSIX IPC
二、为什么要有进程间通信
三、怎么进行进程间通信
(一)什么是管道
(二)匿名管道
1.匿名管道的原理
2.匿名管道的创建:pipe函数
3.匿名管道使用步骤
4.匿名管道读写规则
(二)管道特点
1.管道内部自带同步与互斥机制。
2.管道的生命周期随进程。
3.管道提供的是流式服务。
4.管道是半双工通信的。
(三)管道的四种特殊情况
(四)匿名管道特征总结:
二、命名管道(FIFO)
(一)创建命名管道
2.代码实现
3.运行总结
4.命令行创建命名管道
- 因为进程具有独立性,如果两个或者多个进程需要相互通信,就必须要看到同一份资源:就是一段内存!这个内存可能以文件的方式提供,也可能以队列的方式,也可能提供的就是原始的内存块!
- 这个公共资源应该属于谁?这个公共资源肯定不属于任何进程,如果这个资源属于进程,这个资源就不应该再让其它进程看到,要不然进程的独立性怎么保证呢?所以这个资源只能属于操作系统!
- 进程间通信的前提:是有OS参与,提供一份所有通信进程能看到的公共资源!
进程间通信(IPC,InterProcess Communication)是指在不同进程之间传播或交换信息。IPC的方式通常有管道(包括匿名管道和命名管道)、消息队列、信号量、共享内存等。
进程间通信的本质就是,让不同的进程看到同一份资源。
由于各个运行进程之间具有独立性,这个独立性主要体现在数据层面,而代码逻辑层面可以私有也可以公有(例如父子进程),因此各个进程之间要实现通信是非常困难的。
各个进程之间若想实现通信,一定要借助第三方资源,这些进程就可以通过向这个第三方资源写入或是读取数据,进而实现进程之间的通信,这个第三方资源实际上就是操作系统提供的一段内存区域。
因此,进程间通信的本质就是,让不同的进程看到同一份资源(内存,文件内核缓冲等)。 由于这份资源可以由操作系统中的不同模块提供,因此出现了不同的进程间通信方式。
- 管道
- System V进程间通信
- POSIX进程间通信
典型进程间通信方式: 管道,共享内存,消息队列,信号量,网络通信,文件 等多种方式!
- 匿名管道pipe
- 命名管道
- System V 消息队列
- System V 共享内存
- System V 信号量
- 消息队列
- 共享内存
- 信号量
- 互斥量
- 条件变量
- 读写锁
- 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。
- 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”
例如,统计我们当前使用云服务器上的登录用户个数。
其中,who命令和wc命令都是两个程序,当它们运行起来后就变成了两个进程,who进程通过标准输出将数据打到“管道”当中,wc进程再通过标准输入从“管道”当中读取数据,至此便完成了数据的传输,进而完成数据的进一步加工处理。
注明: who命令用于查看当前云服务器的登录用户(一行显示一个用户),wc -l用于统计当前的行数。
匿名管道用于进程间通信,且仅限于本地父子进程之间的通信。
进程间通信的本质就是,让不同的进程看到同一份资源,使用匿名管道实现父子进程间通信的原理就是,让两个父子进程先看到同一份被打开的文件资源,然后父子进程就可以对该文件进行写入或是读取操作,进而实现父子进程间通信。
注意:
- 这里父子进看到的同一份文件资源是由操作系统来维护的,所以当父子进程对该文件进行写入操作时,该文件缓冲区当中的数据并不会进行写时拷贝。
- 管道虽然用的是文件的方案,但操作系统一定不会把进程进行通信的数据刷新到磁盘当中,因为这样做有IO参与会降低效率,而且也没有必要。也就是说,这种文件是一批不会把数据写到磁盘当中的文件,换句话说,磁盘文件和内存文件不一定是一一对应的,有些文件只会在内存当中存在,而不会在磁盘当中存在。
父进程写入文件的缓冲区,子进程去缓冲区里读,就实现了两个进程看到同一份资源,这个用于通信的内存级文件就叫做管道(普通级文件是为了保存数据到磁盘的)。struct file中有inode,inode中有一个联合体可以来表示自己是管道/块设备/文件/字符!
pipe函数用于创建匿名管道,pip函数的函数原型如下:
#include
int pipe(int pipefd[2]);
pipe函数的参数是一个输出型参数,数组pipefd用于返回两个指向管道读端和写端的文件描述符:
为了方便理解:
0 - 嘴巴 - 读
1 - 钢笔 - 写字
pipe函数调用成功时返回0,调用失败时返回-1。
在创建匿名管道实现父子进程间通信的过程中,需要pipe函数和fork函数搭配使用,具体步骤如下:
1.父进程调用pipe函数创建管道。
3.父进程关闭写端,子进程关闭读端,或者父进程关闭读端,子进程关闭写端.
注意:
我们可以站在文件描述符的角度再来看看这三个步骤:
1.父进程调用pipe函数创建管道。
2.父进程创建子进程。
3.父进程关闭写端,子进程关闭读端,或者父进程关闭读端,子进程关闭写端.
示例代码:
将可变参数 “…” 按照format的格式格式化为字符串,然后再将其拷贝至str中。
snprintf(),函数原型为int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...)。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
int main() {
int fd[2] = {0};
if (pipe(fd) < 0) {
perror("perror error");
return 1;
}
pid_t id = fork();
assert(id >= 0);
if (id == 0) {
// 子进程进行写入
close(fd[0]); // 子进程关闭读端
const char *s = "我是子进程,我正在给你发消息";
int count = 10;
while (count --) {
char buff[1024];
snprintf(buff,sizeof buff,"child->parent say: %s[%d][%d]",s,count,getpid());
write(fd[1],buff, strlen(buff));
sleep(1);
cout << "count : " << count << endl;
}
close(fd[1]);
cout << "子进程关闭自己的写端" << endl;
exit(0);
}
// 父进程进行读取
close(fd[1]);
while (1) {
sleep(1);
char buff[1024];
ssize_t s = read(fd[0],buff,sizeof(buff) - 1);
if (s > 0) {
buff[s] = '\0';
cout << "Get Message# " << buff << " | my pid: " << getpid() << endl;
}
else if(s == 0) { 当read返回0时说明写端已关闭,所以要退出
cout << "read file end" << endl;
break;
}
else {
cout << "read error" << endl;
break;
}
}
close(fd[0]);
cout << "父进程关闭读端" << endl;
int status = 0;
int n = waitpid(id,&status,0);
assert(n == id);
cout <<"pid->"<< n << " : "<< (status & 0x7F) << endl;
return 0;
}
运行结果如下:
pipe2函数与pipe函数类似,也是用于创建匿名管道,其函数原型如下:
int pipe2(int pipefd[2], int flags);
pipe2函数的第二个参数用于设置选项。
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。
5、当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,Linux将保证写入的原子性。
6、当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,Linux将不再保证写入的原子性。
我们将一次只允许一个进程使用的资源,称为临界资源。管道在同一时刻只允许一个进程对其进行写入或是读取操作,因此管道也就是一种临界资源。
临界资源是需要被保护的,若是我们不对管道这种临界资源进行任何保护机制,那么就可能出现同一时刻有多个进程对同一管道进行操作的情况,进而导致同时读写、交叉读写以及读取到的数据不一致等问题。
为了避免这些问题,内核会对管道操作进行同步与互斥:
管道本质上是通过文件进行通信的,也就是说管道依赖于文件系统,那么当所有打开该文件的进程都退出后,该文件也就会被释放掉,所以说管道的生命周期随进程。
对于进程A写入管道当中的数据,进程B每次从管道读取的数据的多少是任意的,这种被称为流式服务,与之相对应的是数据报服务:
在数据通信中,数据在线路上的传送方式可以分为以下三种:
单工通信(Simplex Communication):单工模式的数据传输是单向的。通信双方中,一方固定为发送端,另一方固定为接收端。
半双工通信(Half Duplex):半双工数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输,但是不能同时传输。
全双工通信(Full Duplex):全双工通信允许数据在两个方向上同时传输,它的能力相当于两个单工通信方式的结合。全双工可以同时(瞬时)进行信号的双向传输。
管道是半双工的,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。
在使用管道时,可能出现以下四种特殊情况:
其中前面两种情况就能够很好的说明,管道是自带同步与互斥机制的,读端进程和写端进程是有一个步调协调的过程的,不会说当管道没有数据了读端还在读取,而当管道已经满了写端还在写入。读端进程读取数据的条件是管道里面有数据,写端进程写入数据的条件是管道当中还有空间,若是条件不满足,则相应的进程就会被挂起,直到条件满足后才会被再次唤醒。
第三种情况也很好理解,读端进程已经将管道当中的所有数据都读取出来了,而且此后也不会有写端再进行写入了,那么此时读端进程也就可以执行该进程的其他逻辑了,而不会被挂起。
第四种情况就是说:既然管道当中的数据已经没有进程会读取了,那么写端进程的写入将没有意义,因此操作系统直接将写端进程杀掉。(假设子进程是写端)而此时子进程代码都还没跑完就被终止了,属于异常退出,那么子进程必然收到了某种信号。
由此可知,当发生情况四时,操作系统向子进程发送的是SIGPIPE信号将子进程终止的。(13号)
(命令行管道|,其实就是匿名管道)
- 命名管道在某种程度上可以看做是匿名管道 ,但他打破了匿名管道只能在有血缘关系的进程间的通信。
- 命名管道之所以可以实现进程间通信,在于通过同一个路径名而看到同一份资源,这份资源以FIFO的文件形式存在于文件系统中。
- 它作为特殊的设备文件存在于文件系统中。因此,在进程中可以使用open()和close()函数打开和关闭命名管道。
#include
#include
int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode);
参数:
返回值:
$ mkfifo filename