【Linux】进程间通信——管道

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一、进程间通信

进程间通信（Interprocess Communication） 就是两个进程之间进行通信。进程是具有独立性（虚拟地址空间 + 页表保证进程运行的独立性），所以进程间通信成本会比较高！进程间通信的前提条件是先让不同的进程看到同一份资源（内存空间），该资源不能隶属于任何一个进程，应该属于操作系统，被进行通信的进程所共享。

进程间通信的目的

• 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。

进程间通信的发展和分类

进程间通信的发展和分类如下：

• Linux 原生能提供的管道，管道主要包括匿名管道 pipe 和命名管道。
• SystemV 进程间通信，System V IPC 主要包括 System V 消息队列、System V 共享内存和 System V 信号量。System V 只能本地通信。
• POSIX 进程间通信，POSIX IPC 主要包括消息队列、共享内存、信号量、互斥量、条件变量和读写锁。POSIX 进程通信既能进行本地通信，又能进行网络远程通信，具有高扩展和高可用性。

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二、匿名管道

管道介绍

日常生活中，有非常多的管道，如：天然气管道、石油管道和自来水管道等。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管道。管道传输的都是资源，并且只能单向通信。

管道的原理

每个进程都有对应的文件描述符表，文件描述符表中有相应的数组，数组中存放了标准输入0，标准输出1，标准错误2，而每个进程描述符都会存放相应struct file的地址，在进程间通信的时候系统会提供一个内存文件，这个内存文件不会在磁盘刷新，这个文件被称为匿名文件，当我们以读和写方式打开一个文件，然后我们fork创建一个子进程，子进程也具有task_struct，并且子进程会继承父进程的文件描述符表（但是不会复制父进程打开的文件对象），而文件描述符表中存放文件的地址都是相同的，所以子进程的文件描述符表也指向父进程的文件，正是因为这样，在父进程以读和写打开一份文件，而子进程也同样读和写打开和父进程打开的一样的一份文件，这就让两个进程看到了同一份资源。但是这种管道只能实现单向通信，比如我们关闭父进程的写端，关闭子进程的读端让子进程去写这两个进程就实现单向通信了。管道只能单向通信的原因是文件只有一个缓冲区，一个写入位置一个读取位置所以只能单向通信，要是想双向通信那就打开两个管道！而上面所讲的管道就是匿名管道。

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管道的实现

Makefile

mypipe:mypipe.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf mypipe

代码实现

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

using namespace std;

int main()
{
    // 让不同的进程看到同一份资源
    int pipefd[2] = {0};
    
    // 1.创建管道
    int n = pipe(pipefd);

    if(n < 0)
    {
        std::cout << "pipe error, " << errno << ": " << strerror(errno) << std::endl;
        return 1;
    }

    // printf("pipefd[0]:%d\n",pipefd[0]);
    // printf("pipefd[1]:%d\n",pipefd[1]);

    // 创建子进程
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);
    
    if(id == 0) //子进程 —— 往管道中写入数据
    {
        close(pipefd[0]);

        //开始通信
        const string namestr = "hello,我是子进程";
        int cnt = 1;
        char buffer[1024];

        while(true)
        {
            snprintf(buffer, sizeof buffer, "%s, 计数器: %d, 我的PID: %d", namestr.c_str(), cnt++, getpid());
            write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));
            sleep(1);
        }
        close(pipefd[1]);
        exit(0); 
    }

    //父进程 —— 从管道中读取数据
    close(pipefd[1]);
    char buffer[1024];
    //int cnt = 0;
    while(true)
    {
        int n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = '\0';
            cout << "我是父进程,子进程给我的message是:" << buffer << endl;
        }
        else if(n == 0)
        {
            cout << "我是父进程,读到了文件的结尾" << endl;
            break;
        }
        else
        {
            cout << "我是父进程,读取异常了" << endl;
            break;
        }
    }
    close(pipefd[0]);

    return 0;
}

运行结果如图：

这里确实完成了进程间的单向通信，我们可以清晰地看到有两个进程，并且子进程将自己的数据给了父进程。

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管道的特点

• 单向通信
• 管道的本质是文件，因为fd的生命周期随进程，管道的生命周期也是随进程的。
• 管道通信，通常是用来进行 “血缘关系” 的进程，进行进程间通信，常用于父子进程间通信——pipe打开管道，并不清楚管道的名字，所以是匿名管道。
• 在管道通信中，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 — 表现 ----字节流。
• 具有一定的协同能力，让reader和writer能够按照一定的步骤进行通信 — 自带同步机制。
• 管道是基于文件的，文件的生命周期是随进程的，那么管道的生命周期也是随进程的。
• 一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥
• 管道是单向通信的，就是半双工通信的一种特殊情况，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。半双工通信就是要么在收数据，要么在发数据，不能同时在收数据和发数据（比如两个人在交流时，一个人在说，另一个人在听）；而全双工通信是同时进行收数据和发数据（比如两个人吵架的时候，相互问候对方，一个人既在问候对方又在听对方的问候）。
• 当要写入的数据量不大于 PIPE_BUF 时，Linux 将保证写入的原子性。
• 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。
• 指事务的不可分割性，一个事务的所有操作要么不间断地全部被执行，要么一个也没有执行。

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管道的四种场景

• 如果我们read读取完毕了所有的管道数据，如果对方不发，我就只能等待

这里我们让父进程的读取速度不变，让子进程写的慢一些。

这里我们可以看到，光标卡在这儿不动了，这是因为子进程每隔5秒向管道写入一次数据，因此，如果管道中没有数据，读端在读，此时默认会直接阻塞当前正在读取的进程

• 如果我们writer端将管道写满了，我们将不能继续往管道中写入数据。

管道是固定大小的缓冲区，当管道被写满，就不能再写了。此时写端会阻塞。因此管道具有一定的协同能力，能让reader和writer按照一定的步骤进行通信。

• 如果关闭了写端，读取完毕管道数据，在读，就会read返回0，表明读到了文件结尾。

• 写端一直写，读端关闭，操作系统不会维护无意义，低效率，或者浪费资源的事情。因此OS会杀死一直在写入的进程!

这里我们看到确实如此，OS不会维护无意义，低效率，或者浪费资源的事情，因此操作系统通过13号信号来杀死了子进程。

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mini进程池的实现

// Task.hpp的实现
#pragma once 

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

//定义函数指针
typedef void (*func_t) ();

void PrintLog()
{
    std::cout << "pid: "<< getpid() << ", 打印日志任务，正在被执行..." << std::endl;
}

void InsertMySQL()
{
    std::cout << "执行数据库任务，正在被执行..." << std::endl;
}

void NetRequest()
{
    std::cout << "执行网络请求任务，正在被执行..." << std::endl;
}

//这里我们规定,每一个command都必须是四字节
#define COMMAND_LOG 0
#define COMMAND_MYSQL 1
#define COMMAND_REQEUST 2

class Task
{
public:
    Task()
    {
        funcs.push_back(PrintLog);
        funcs.push_back(InsertMySQL);
        funcs.push_back(NetRequest);
    }

    void Execute(int command)
    {
        if(command >=0 && command < funcs.size())
            funcs[command]();
    }

    ~Task()
    {};
public:
    vector<func_t> funcs;
};

// ctrlProcess的实现
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
#include "Task.hpp"

const int gnum = 3;
Task t;

class Endpoint
{
private:
    static int number;
public:
    Endpoint(pid_t id, int write_fd)
        :_child_id(id)
        ,_write_fd(write_fd)
    {
        char namebuffer[64];
        snprintf(namebuffer, sizeof namebuffer, "process-%d[%d:%d]", number++, _child_id, _write_fd);
        processname = namebuffer;
    }

    string name() const
    {
        return processname;
    }

    ~Endpoint()
    {};
public:
    pid_t _child_id;
    int _write_fd;
    string processname;
};

int Endpoint::number = 0;

//子进程要执行的方法
void WaitCommand()
{
    while(true)
    {
        int command = 0;
        int n = read(0, &command, sizeof(int));
        if(n == sizeof(int))
        {
            t.Execute(command);
        }
        else if(n == 0)
        {
            cout << "父进程让我退出，我就退出了: " << getpid() << endl; 
            break;
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
}

void createProcesses(vector<Endpoint>* end_points)
{
    vector<int> fds;
    for(int i = 0; i < gnum; i++)
    {
        // 1.1 创建管道
        int pipefd[2] = {0};
        int n = pipe(pipefd);
        assert(n == 0);
        (void)n;

        // 1.2 创建进程
        pid_t id = fork();
        assert(id != -1);

        //子进程 —— 从管道中读取数据
        if(id == 0)
        {
            for(auto& fd : fds) close(fd);

            close(pipefd[1]);
            dup2(pipefd[0], 0); // 子进程读取指令的时候,从标准输入读取 == 输入重定向
            
            WaitCommand(); // 子进程等待获取命令
            close(pipefd[0]);
            exit(0);
        }
        //1.3 父进程——关闭不需要的fd
        close(pipefd[0]);

        // 1.4 将新的子进程和他的管道写端构建对象
        end_points->push_back(Endpoint(id, pipefd[1]));

        fds.push_back(pipefd[1]);
    }
}

int ShowBoard()
{
    std::cout << "------------------------------------------" << std::endl;
    std::cout << "|   0. 执行日志任务   1. 执行数据库任务    |" << std::endl;
    std::cout << "|   2. 执行请求任务   3. 退出             |" << std::endl;
    std::cout << "------------------------------------------" << std::endl;
    std::cout << "请选择$ ";
    int command = 0;
    std::cin >> command;
    return command;
}

void ctrlProcess(const vector<Endpoint>& end_points)
{
    int num = 0;
    int cnt = 0;
    while(true)
    {
        // 1. 选择任务
        int command = ShowBoard();
        if(command == 3) break;
        if(command < 0 || command > 3) continue;

        // 2.选择进程
        int index = cnt++;
        cnt %= end_points.size();

        cout << "选择了进程: " <<  end_points[index].name() << " | 处理任务: " << command << endl;

        // 3. 下发任务
        write(end_points[index]._write_fd, &command, sizeof(command));
        sleep(1);
    }
}

void waitProcess(const vector<Endpoint>& end_points)
{
    for(int end = 0; end < end_points.size(); end++)
    {
        cout << "父进程让子进程退出:" << end_points[end]._child_id << endl;
        close(end_points[end]._write_fd);

        waitpid(end_points[end]._child_id, nullptr, 0);
        cout << "父进程回收了子进程:" << end_points[end]._child_id << endl;
    }
    sleep(5);
}

int main()
{
    // 1. 构建控制结构,父进程写入,子进程读取。
    vector<Endpoint> end_points;
    createProcesses(&end_points);

    // 2. 进程控制
    ctrlProcess(end_points);

    // 3. 处理所有的退出问题
    waitProcess(end_points);
    return 0;
}

随机派发任务：

用户派发指定任务

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三、命名管道

匿名管道有一个 缺陷 就是：只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。如果我们想要让两个毫不相干的进程进行通信，可以使用FIFO文件来实现，他就是 命名管道。

命名管道的创建：

mkfifo named_pipe

往管道里面写入数据 / 从管道中读取数据

原理如下：

两个进程打开同一个文件，站在内核的角度，第二个文件不需要再被创建struct file对象，因为OS会识别到打开的文件被打开了。在内核中，此时就看到了同一份资源，有着操作方法和缓冲区，不需要把数据刷新到磁盘上去，所以无论是匿名还是命名管道，本质上都是管道。

匿名管道：通过继承的方式看到同一份资源。
命名管道：通过让不同的进程打开指定名称（路径+文件名，具备唯一性）的同一个文件看到同一份资源，所以命名管道是通过文件名来标定唯一性的。而匿名管道是通过继承的方式来标定的。

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命名管道模拟客户端和服务端

创建一个管道文件，让读写端进程分别按照自己的需求打开文件，然后进行通信。

makefile

.PHONY:all
all:server client

server:server.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
client:client.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
	rm -f client server

comm.hpp

#pragma once

#include 
#include 

#define NUM 1024

const std::string fifoname = "./fifo";
uint32_t mode = 0666;

server.cc

client.cc

运行结果：

匿名管道和命名管道的区别

• 匿名管道由pipe函数创建并打开
• 命名管道由mkfifo函数创建，打开用open
• FIFO（命名管道）和 pipe（匿名管道）之间唯一的区别在于它们创建和打开的方式不同，一旦这些工作完成之后，他们具有相同的语义。

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