[Linux]进程间通信（上篇）——匿名管道（管道原理，实现示例，端口情况探究！！）

        hello，大家好，本篇文章介绍Linux进程间的通信，包含内容有进程间通信的介绍、理解，管道的介绍使用：匿名管道，匿名管道的实现示例，匿名管道端口4种情况的探究。

  

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目录

 1️⃣进程间通信 

进程间通信目的

进程间通信分类

进程间通信的技术背景及必要性

进程间通信的本质理解

2️⃣管道

什么是管道

匿名管道

匿名管道原理

匿名管道创建pipe

匿名管道四种情况探究

匿名管道读写规则

匿名管道特定总结

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1️⃣进程间通信 

进程间通信目的

        ⭐ 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。

进程间通信分类

管道

• 匿名管道pipe
• 命名管道

System V IPC

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

POSIX IPC

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

本篇文章只介绍管道和部分System V IPC

进程间通信的技术背景及必要性

        ✦进程具有独立性的。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）

        ✦通信成本会比较高！（因为进程独立性很强！）

必要性：

        单进程无法使用进程间的并发能力！无法实现多进程之间的协同工作！所以需要进程间通信来使得多进程进行协同（进程间通信不是手段，是目的！）

进程间通信的本质理解

进程间通信的本质：先让不同的进程看到同一份资源（内存空间）

        ★进程间通信的前提，首先需要让不同的进程看到同一块资源（特定的结构组织的)

        ★所以所谓的进程看到同一块资源，属于哪一个进程呢？不能隶属于任何一个进程，而应该更强调共享。

2️⃣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”

生活中我们见过的管道有：水管、石油管道、天然气管道等等。

在Linux中也有管道，我们把这种将资源从一端送到另一端的数据流称为管道！！

特点：只能单向通信（半双工），传输的都是资源 -->数据！

匿名管道

如果你使用过Linux的命令，那么对于管道这个名词你一定不会感觉到陌生，因为我们通常通过符号“|"来使用管道，但是管理的真正定义是什么呢？管道是一个进程连接数据流到另一个进程的通道，它通常是用作把一个进程的输出通过管道连接到另一个进程的输入。

在shell中输入命令：ls -l | grep my，我们知道ls命令（其实也是一个进程）会把当前目录中的文件都列出来，但是它不会直接输出，而是把本来要输出到屏幕上的数据通过管道输出到grep这个进程中，作为grep这个进程的输入，然后这个进程对输入的信息进行筛选，把存在my的信息的字符串（以行为单位）打印在屏幕上。

匿名管道原理

通过父子进程继承关系，再将文件描述符关闭，实现一端写，一端读，就是匿名管道。

        1.父进程以读写方式打开文件。父进程fork创建子进程，（进程具有独立性）子进程要拷贝一份PCB结构，PCB中包含了files_struct结构,files_struct中有一个指向struct file（文件）的指针数组，而文件描述符就是这个数组的下标。

        2.在拷贝后，子进程也就有了指向struct file（文件）的对应数组元素下标（文件描述符）。

        3.而struct file（文件）是独属于文件的，和进程没有关系，也就不用拷贝，也就是说此时父子进程公共区域就是 struct file。（实现不同进程看到同一份资源）

        4.write是系统调用接口，会将数据放在内核缓冲区，底层定期刷新缓冲区将内容写到磁盘。

        5.为了实现半双工的通信方式，一端读，一端写，关闭父子进程不需要的文件描述符。

流程图

匿名管道创建pipe

int pipe(pipefd[2]);

参数：(输出型参数，通过参数找到打开的2个fd)文件描述符数组，其中pipefd[0]表示读端，pipefd[1]表示写端

返回值：成功返回0，失败返回错误码。

匿名管道四种情况探究

匿名管道实例:（子进程读取，父进程写入）

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;

int main()
{
    //1.创建管道
    int pipefd[2]={0};//pipefd[0]:读端，pipefd[1]:写端
    int n=pipe(pipefd);
    assert(n!=-1);
    (void)n;//debug下assert有效，release下assert无效。只定义不使用n容易报警告

#ifdef DEBUG
    cout<<"pipefd[0]:"<0)
            {
                buffer[s]=0;//手动添加/0
                cout<<"我是子进程["<0);
    (void)res;
    close(pipefd[1]);
    return 0;
}

运行图

 A.写快，读慢，会发生什么?（我们修改代码，将子进程读端sleep(5)，父进程添加一行打印send_buffer信息）

//添加父进程打印代码
//3.2构建一个变化的字符串      
snprintf(send_buffer,sizeof(send_buffer),"%s[%d]:%d",message.c_str(),getpid(),count++);
//3.3写入
write(pipefd[1],send_buffer,strlen(send_buffer));

printf("%s\n",send_buffer);

写快读慢结果图

我们可以看到一瞬间父进程写满了，然后阻塞等待子进程读取。

B.写慢，读快，会发生什么？（父进程sleep(5)，子进程不休眠）

写慢结果图

我们可以看到，父进程在写入第一条信息后被子进程立刻读取，然后父进程休眠5s，子进程在这期间阻塞等待父进程继续写入 。

C.写端关闭，读端继续，会发生什么？（父进程关闭pipefd[1]，即关闭写端，子进程修改代码显示read返回值不大于0的情况）

while(true)
        {
            ssize_t s=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
            if(s>0)
            {
                buffer[s]=0;//手动添加/0
                cout<<"我是子进程["<

写端关闭结果图

结果显示：read返回0，read系统调用接口返回0即表示读取到文件结尾。

D.读端关闭，写端继续，会发生什么？（我们让子进程写数据，父进程读数据，读3次后关闭读端，此时父子进程读端都关闭）

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
    // 创建管道
    int pipefd[2] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    // 子进程继承
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        // 子进程写端
        close(pipefd[0]);
        std::string message = "我是子进程，我正在给你发消息";
        int count = 0;
        char send_buffer[1024];
        while (true)
        {
            if (count == 5)
                break;
            // 3.2构建一个变化的字符串
            snprintf(send_buffer, sizeof(send_buffer), "%s[%d]:%d", message.c_str(), getpid(), count++);
            // 3.3写入
            write(pipefd[1], send_buffer, strlen(send_buffer));
            sleep(1);
        }
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }
    // 父进程读端
    close(pipefd[1]);
    char buffer[1024];
    for(int i=0;i<3;i++)
    {
        ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (s > 0)
        {
            buffer[s] = 0;
            std::cout << "我是父进程:" << getpid() << "#" << buffer << std::endl;
        }
    }
    close(pipefd[0]);
    int status = 0;
    pid_t res = waitpid(id, &status, 0);
    assert(res > 0);
    (void)res;
    printf("接受到的信号为:%d\n", status & 0x7f);
    return 0;
}

读端关闭结果图

结果显示：父进程接受到子进程返回的13号信号（SIGPIPE，write进程发生中断）

信号说明图

匿名管道读写规则

        ✦ 当没有数据可读时

                O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。

                O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。

        ✦ 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：调用返回-1，errno值为EAGAIN

        ✦ 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0

        ✦ 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

        ✦ 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。

匿名管道特定总结

        ★管道是用来进行具有血缘关系的进程进行进程间通信——常用于父子通信

        ★管道具有通过让进程间协同，提供了访问控制！

        ★管道提供面向流式的通信的服务——面向字节流——一般需要协议

        ★管道是基于文件的，文件的生命周期是随进程的，管道的生命周期是随进程的！

        ★管道是单向通信的，就是半双工通信的一种特殊情况

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        文末结语，本篇文章主要讲解进程间通信的目的、分类、技术背景必要性、以及对进程间通信的本质理解。并讲解管道之一的匿名管道，着重展现匿名管道的原理、创建，探究四种读写情况并最后进行总结。

        小伙伴们看到最后肯定会发现，匿名管道有一个很大的缺陷，就是必须要有父子关系的进程间进行通信，这是大大的限制了进程间的通信，那没有父子关系的进程如何通信呢？我们下一篇命名管道再讲解！