Linux知识点 -- 进程间通信（一）
Linux知识点 – 进程间通信（一）
文章目录
- Linux知识点 -- 进程间通信（一）
- 一、了解进程间通信
-
- 1.进程间通信的必要性
- 2.进程间通信的技术背景
- 3.进程间通信的本质理解
- 4.进程间通信的标准
- 二、匿名管道
-
- 1.匿名管道通信的原理
- 2.匿名管道的使用
- 3.管道的特点
- 4.进程池项目
- 三、命名管道
-
- 1.命名管道的原理
- 2.命名管道的使用
一、了解进程间通信
1.进程间通信的必要性
单进程，无法使用并发能力，更加无法实现多进程协同，如传输数据、同步执行流、消息通知等；
2.进程间通信的技术背景
（1）进程是具有独立性的；虚拟地址空间 + 页表保证进程运行的独立性（进程内核数据结构 + 进程的代码和数据）；
（2）通信成本会比较高；
3.进程间通信的本质理解
（1）进程间通信的前提，首先是要让不同的进程看到同一块内存空间（特定的结构组织的）；
（2）所谓的看到同一块空间，这块空间应该隶属于哪一个进程呢？应该不能隶属于任何进程，而应该强调共享；
4.进程间通信的标准
- Linux原生能提供的：管道
匿名管道；
命名管道； - SystemV IPC：多进程，用于单机通信
共享内存；
消息队列；
信号量； - POSIX IPC：多线程，用于网络通信
二、匿名管道
1.匿名管道通信的原理
管道通信是进程之间通过管道进行通信，管道就是两个进程能够共享的一块内存空间；
-
管道的本质就是一个文件：
（1）父进程分别以读写的方式打开一个文件；
完成后，父进程中分别由两个文件描述符对应的文件指针指向同一个文件，一个用来读，一个用来写，这个文件就是管道；
（2）fork创建子进程；
在父进程fork出子进程后，子进程会拷贝父进程PCB的信息，因此在子进程的文件序列中，也会有同样的文件描述符对应的文件指针指向父进程创建的管道；
（3）双方进程各关闭自己不需要的文件描述符；
在确定好父子进程的读写后，比如父进程写，子进程读，那就关闭父进程读和子进程写对应的fd，到此，一个管道就形成了； -
注：
（1）创建子进程时，只拷贝和进程相关的数据，PCB，文件相关的不会拷贝，拷贝完成后，父子进程指向的文件是一样的；
（2）进程间通信都是基于内存的，效率高;
（3）我们在命令行使用的 | 就是管道；
三个sleep都是进程， 是兄弟进程，一个进程处理完数据，通过管道交给下一个进程；
2.匿名管道的使用
pipe函数：创建管道，相当于完成了父进程以读写方式打开一个文件；
-
参数：
pipefd[2]：输出型参数，期望通过这个参数，得到被打开文件的fd（读和写各一个fd），pipefd[0]是读端，pipefd[1]是写端；
返回值：
成功返回0，失败返回-1； -
makefile：
pipe-use:pipe-use.cpp
g++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:
rm -f pipe-use
- pipe-use.cpp：
#include- 注意：
（1）条件编译
如果想要执行这段代码，在g++编译选项中加上-DEGUB即可：
（2）snprintf
安全的向字符串中格式化显示内容；
（3）cstdio & cstring
这两个头文件是为了更好兼容c语言；
（4）定义全局buffer能否用来进程间通信？
不能，因为有写时拷贝的存在，父子进程间一定要保持数据的独立性；
3.管道的特点
- （1）管道是用来用来具有血缘关系的进程间进行进程间通信的；
- （2）管道具有让进程间协同的作用，提供了访问控制；
父进程每1s写入一次数据，子进程也是没1s读取一次，但是我们只在父进程发送时设置了1s写入，子进程并没有设置，这是管道的访问控制；
如果让父进程一直写入，子进程一段时间读取一次：
运行结果：
我们可以看到，在父进程将管道写满后，就阻塞在这里了，等待子进程的读取；
当子进程读取了一定的数据后，父进程才能继续写入；
总结：
a. 写快，读慢，写满管道后就不能再写了；
b. 写慢，读快，管道没有数据的时候，读必须等待；
c. 写关，读就会返回0，标识读到了文件的结尾；
d. 读关，写继续写，OS会终止进程；
- （3）管道提供的是面向流式的通信服务 – 面向字节流 – 协议
管道读文件时，不是一次读一条，而是一次读一批； - （4）管道是基于文件的，文件的生命周期是随进程的额，管道的生命周期就是随进程的
让父进程在5s后停止写入，观察子进程：
运行结果：
写入的一方，fd没有关闭，如果有数据，就读，没有数据就等；
写入的一方，fd关闭，读取的乙方，read就会返回0，表示读到了文件的结尾； - （5）管道是单向通信的，就是半双工通信的一种特殊情况
半双工：不能同时读写，只能一方读，一方写；
4.进程池项目
父进程创建四个子进程，使用四个管道进行进程间通信，为子进程派发任务，单机版的负载均衡；
- makefile：
process-pool:process-pool.cpp
g++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:
rm -f process-pool
- process-pool.cpp
#include- Task.hpp
#include运行结果：
三、命名管道
1.命名管道的原理
匿名管道是基于创建子进程的进程信息拷贝来通信的，只能用于有血缘关系的进程间通信；
而命名管道可以实现毫不相关的进程之间的通信；
不同的进程打开同一个文件，操作系统会检测文件路径，不会再将文件内容加载到内存中，而是将进程指向同一个文件结构体；
这就是命名管道，这是一种内存级文件，但是在磁盘中构建了一个文件名，在进程访问的时候访问同一路径下的文件名；
命名管道只是在磁盘中建立了一个符号，只是为了通信双方看到同一份资源，其数据都是内存级的，不会向磁盘中写入数据；
- 实验：
mkfifo在指定路径下创建一个命名管道文件；
创建好了一个管道文件，p就是管道文件；
然后让两个进程通过命名管道进行通信：
一个进程将打印的字符重定向到管道文件中，这时，这个进程就阻塞了，这是在等待其他进程从管道读取数据；
另一个进程从管道文件中读取数据并打印，写入的进程就可以推出阻塞了；
不断地写入和读取；
2.命名管道的使用
mkfifo：使用系统接口创建命名管道：
参数：
pathname：指定路径；
mode：指定管道文件的权限；
返回值：成功返回0；失败返回-1；
- makefile
.PHONY:all
all:mutiServer client
mutiServer:mutiServer.cpp
g++ -o $@ $^ -std=c++11
client:client.cpp
g++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
claen:
rm -f mutiServer client
- comm.hpp
#ifndef _COMM_H_
#define _COMM_H_
#include- Log.hpp
#ifndef _LOG_H_
#define _LOG_H_
#include这是打印日志的头文件；
- mutiServer.cpp
#include "comm.hpp"
int main()
{
// 1.创建管道文件
if (mkfifo(ipcPath.c_str(), MODE) < 0)
{
perror("mkfifo");
exit(1);
}
Log("创建管道文件成功", DeBug) << "step 1" << endl;
// 2.正常的文件操作
int fd = open(ipcPath.c_str(), O_RDONLY); // 服务端读取信息
if (fd < 0)
{
perror("open");
exit(2);
}
Log("打开管道文件成功", DeBug) << "step 2" << endl;
// 3.编写正常的通信代码
char buffer[SIZE];
while (true)
{
memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));
ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
if (s > 0)
{
cout << '[' << getpid() << "] client say: " << buffer << endl;
}
else if (s == 0)
{
cerr << '[' << getpid() << "] read end of file, client quit, server quit" << endl;
break;
}
else
{
perror("read");
break;
}
}
// 4.关闭文件
close(fd); // 关闭管道文件
Log("关闭管道文件成功", DeBug) << "step 3" << endl;
unlink(ipcPath.c_str()); // 删除管道文件
Log("删除管道文件成功", DeBug) << "step 4" << endl;
return 0;
}
这条代码执行后会创建命名管道文件；
ulink是删除文件的系统调用接口；
在关闭管道文件后直接删除；
- client.cpp
#include "comm.hpp"
int main()
{
//客户端不需要创建管道了
//1.打开管道文件
int fd = open(ipcPath.c_str(), O_WRONLY);
if(fd < 0)
{
perror("open");
exit(1);
}
//2.通信操作
string buffer;
while(true)
{
cout << "Please Enter Command >";
getline(cin, buffer);
write(fd, buffer.c_str(), buffer.size());
}
//3.关闭管道文件
close(fd);
return 0;
}
客户端就不要创建管道文件，直接获取，然后打开，向管道中写信息；
- 运行结果：
在服务端运行时，创建好管道文件，然后服务端进程阻塞，等待客户端写入命令；
当客户端进程创建后，双方都打开管道文件；
客户端发送指令，服务端接受指令；
当客户端退出进程后，服务端读到了0，也退出进程，关闭并删除管道文件；
如果在服务端创建多个子进程来处理客户端请求：
- mutiServer.cpp
#include "comm.hpp"
void getMessage(int fd)
{
char buffer[SIZE];
while (true)
{
memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));
ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
if (s > 0)
{
cout << '[' << getpid() << "] client say: " << buffer << endl;
}
else if (s == 0)
{
cerr << '[' << getpid() << "] read end of file, client quit, server quit" << endl;
break;
}
else
{
perror("read");
break;
}
}
}
int main()
{
// 1.创建管道文件
if (mkfifo(ipcPath.c_str(), MODE) < 0)
{
perror("mkfifo");
exit(1);
}
Log("创建管道文件成功", DeBug) << "step 1" << endl;
// 2.正常的文件操作
int fd = open(ipcPath.c_str(), O_RDONLY); // 服务端读取信息
if (fd < 0)
{
perror("open");
exit(2);
}
Log("打开管道文件成功", DeBug) << "step 2" << endl;
// 3.编写正常的通信代码
int pnums = 4;
for(int i = 0; i < pnums; i++)
{
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
getMessage(fd);
exit(1);
}
}
for(int i = 0; i < pnums; i++)
{
pid_t ret = waitpid(-1, nullptr, 0);
}
// 4.关闭文件
close(fd); // 关闭管道文件
Log("关闭管道文件成功", DeBug) << "step 3" << endl;
unlink(ipcPath.c_str()); // 删除管道文件
Log("删除管道文件成功", DeBug) << "step 4" << endl;
return 0;
}
- 运行结果：
可以看到，每次执行客户端任务的子进程都是随机的，多进程竞争式获取数据；
注：.hpp文件与.h文件的区别
hpp，其实质就是将.cpp的实现代码混入.h头文件当中，定义与实现都包含在同一文件，则该类的调用者只需要include该hpp文件即可，无需再将cpp加入到project中进行编译。而实现代码将直接编译到调用者的obj文件中，不再生成单独的obj，采用hpp将大幅度减少调用 project中的cpp文件数与编译次数，也不用再发布烦人的lib与dll，因此非常适合用来编写公用的开源库。