[Linux]----进程间通信之管道通信

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前言

首先我基于通信背景来带大家了解进程间通讯！！！

1. 进程是具有独立性的！—>进程间想交互数据数据，成本会非常高！—>如果我们多进程需要协同处理一件事情
2. 我们要明确一个点，进程独立了，不是彻底独立，有时候，我们需要双方能够进行一定程度的信息交互。

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正文开始！

一、进程间通信目的

• 数据传输：一个进程需要将他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，通知他们发生可某种事件(如进程终止是要通知父进程)
• 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，并能够及时知道他的状态改变。

二、进程间通信发展

• 管道
• System V进程间通信
• POSIX进程间通信

三、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

POSIX的通讯我们在进程的学习过程中带大家了解！
本章主要给大家分享管道和共享内存来进行进程间通讯！

四、管道

1. 匿名管道

进程A和进程B可以同时看到一份文件来通过某种方式(接下来会将，现在先大致的理解一下)来进行通信！

所以就要求我们在通讯之前，让不同的进程看到同一份资源(文件，内存块…)！

我们要学的进程间通信，不是告诉我们如何通信。而是如何让两个进程先看到同一份资源！

资源的不同决定了不同种类的通信方式！

管道是提供共享资源的一种手段。

2. 管道内核代码

管道的特点

1. 大部分都是单向的！
2. 所有的管道都是传输资源的—数据

所以进程间通信中的管道一定是单向的，为了传输数据的！！

3. 站在文件描述符角度-深度理解管道

那么为什么父进程要分别打开读和写呢？->为了让子进程继承，让子进程不用在打开了

为什么父子要关闭对应的读写？->因为管道是单向通信的！！

谁决定，父子关闭什么读写？–>不是由管道本身决定的，由用户的需求决定的！

4. 站在内核角度-管道本质

为了实现管道的通信，内核提供了接口方便我们使用！

创建管道

#include
#include
#include
#include

//演示pipe通信的基本过程-----匿名管道
using namespace std;
int main()
{
    //1.创建管道
    int pipefd[2]={0};
    if(pipe(pipefd)!=0)
    {
        cerr<<"pipe error"<<endl;
        return 1;
    }
    cout<<"fd[0]="<<pipefd[0]<<endl;
    cout<<"fd[1]="<<pipefd[1]<<endl;
    return 0;
}

因为文件描述符中0,1,2是被默认打开的，所以得到我们预期的结果3,4。

在pipefd[2]这个数组中，pipefd[0]是管道中的读端！pipefd[1]是管道中的写端！！

进行管道通信

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


//演示pipe通信的基本过程-----匿名管道
using namespace std;
#define NUM 1024
int main()
{
    //1.创建管道
    int pipefd[2]={0};
    if(pipe(pipefd)!=0)
    {
        cerr<<"pipe error"<<endl;
        return 1;
    }
    //2.创建子进程
    pid_t id=fork();
    if(id<0)
    {
        cerr<<"fork error"<<endl;
        return 2;
    }
    else if(id==0)
    {
        //子进程
        //让子进程进行读取,子进程就应该关掉写端
        close(pipefd[1]);
        char buffer[NUM];
        while(true)
        {
            memset(buffer,0,sizeof(buffer));
            ssize_t s=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
            if(s>0)
            {
                //读取成功
                buffer[s]='\0';
                cout<<"子进程收到消息，内容是: "<<buffer<<endl;
            }
            else if(s==0)
            {
                cout<<"父进程写完了，我也退出啦"<<endl;
                break;
            }
            else
            {
                //Do Nothing
            }
        }
        close(pipefd[0]);
        exit(0);
    }
    else
    {
        //父进程
        //让父进程进行写入，就应该关掉读端！
        close(pipefd[0]);
        const char* msg="你好子进程，我是父进程,这次发送的信息标号是:";
        int cnt=0;
        while(cnt<5)
        {
            write(pipefd[1],sendBuffer,strlen(sendBuffer));
            sleep(1);//这里是为了一会看现象明显
            cnt++;
        }
        cout<<"父进程写完啦！"<<endl;
        close(pipefd[1]);
    }
    pid_t ret=waitpid(id,nullptr,0);
    if(ret>0)
    {
        cout<<"等待子进程成功"<<endl;
    }
    return 0;
}

因为我们让父进程发送五条信息，子进程收到五条信息后也就推出了！此时就完成了我们通过管道进行进程间通信了！！

对父进程代码稍作修改

在父进程中我们每次写入后都sleep(1);然后子进程读入的时候也是休眠1秒后在读取，所以我们可以发现:1.当父进程没有写入数据的时候，子进程会在等！所以，父进程写入之后，子进程才能read(会返回)到数据，子进程打印读取数据要以父进程的节奏为主！

所以父进程和子进程在读写的时候，是有一定顺序的！！

但是我们以前父子进程各自printf(向显示器写入)的时候，打印出来的语句是没有顺序的！(缺乏访问控制！)

所以我们可以得出结论：管道内部没有数据，reader就必须阻塞等待(read)。管道内部，如果数据被写满，writer就不必须阻塞等待(write);

阻塞等待的本质就是将当前进程的task_struct放入等待队列中！（R->S/D/T）

所以，pipe内部自带访问控制机制！！

父进程指派给子进程任务

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

using namespace std;

 typedef void (*functor)();
 vector<functor> functors; //方法集合

// for debug
unordered_map<uint32_t, string> info;

void f1()
{
    cout << "这是一个处理日志的任务，执行的进程 ID [" << getpid()
         << "],执行的时间是[" << time(nullptr) << "]\n\n" << endl;
}
void f2()
{
    cout << "这是一个备份数据的任务，执行的进程 ID [" << getpid()
         << "],执行的时间是[" << time(nullptr) << "]\n\n" << endl;
}
void f3()
{
    cout << "这是一个处理网络链接的任务，执行的进程 ID [" << getpid()
         << "],执行的时间是[" << time(nullptr) << "]\n\n" << endl;
}

void loadFunctor()
{
    info.insert({functors.size(), "这是一个处理日志的任务"});
    functors.push_back(f1);
    info.insert({functors.size(), "这是一个备份数据的任务"});
    functors.push_back(f2);
    info.insert({functors.size(), "这是一个处理网络链接的任务"});
    functors.push_back(f3);
}
int main()
{
    // 0.加载任务列表
    loadFunctor();

    // 1.创建管道
    int pipefd[2] = {0};
    if (pipe(pipefd) != 0)
    {
        cerr << "pipe error" << endl;
        return 1;
    }

    // 2.创建子进程
    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
    {
        cerr << "fork error" << endl;
        return 2;
    }
    else if (id == 0)
    {
        //子进程进行读操作---read

        // 3.关闭不需要的文件fd
        close(pipefd[1]);

        // 4.业务处理
        while (true)
        {
            uint32_t opeartorType = 0;
            //如果有数据，就读取，如果没有数据，就阻塞等待，等待任务的到来
            ssize_t s = read(pipefd[0], &opeartorType, sizeof(uint32_t));
            if (s == 0)
            {
                cout << "我要退出啦，我是子进程，父进程都退出了！" << endl;
                break;
            }

            assert(s == sizeof(uint32_t));
            // assert断言,是变异有效的debug模式
            // release模式下，断言也就没有了
            //一旦断言没有了，s变量就只是被定义，没有被使用。release摸下中，可能会warning
            (void)s;

            if (opeartorType < functors.size())
            {
                functors[opeartorType]();
            }
            else
            {
                cerr << "bug opeartorType" << endl;
            }
        }
        close(pipefd[0]);
        exit(0);
    }
    else
    {
        srand((long long)time(nullptr));
        //父进程进行写操作----write

        // 3.关闭不需要的文件fd
        close(pipefd[0]);
        // 4.指派任务
        uint32_t num = functors.size();
        int cnt = 0;
        while (cnt < 10)
        {
            // 5.形成任务码
            int commandCode = rand() % num;
            std::cout << "父进程指派任务完成，任务是: " << info[commandCode] << "任务的编号是: " << cnt << std::endl;
            // 向指定的进程下达执行任务的操作
            write(pipefd[1], &commandCode, sizeof(uint32_t));
            sleep(1);
            cnt++;
        }
        close(pipefd[1]);
        pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);
        if (ret)
        {
            cout << "wait success" << endl;
        }
    }
}

父进程通过给子进程发送不同的信号，让子进程完成不同的任务！！！

接下来如果通过父进程控制一批子进程呢？？

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

using namespace std;

typedef void (*functor)();
vector<functor> functors; //方法集合

// for debug
unordered_map<uint32_t, string> info;

void f1()
{
    cout << "这是一个处理日志的任务，执行的进程 ID [" << getpid()
         << "],执行的时间是[" << time(nullptr) << "]\n\n" << endl;
}
void f2()
{
    cout << "这是一个备份数据的任务，执行的进程 ID [" << getpid()
         << "],执行的时间是[" << time(nullptr) << "]\n\n" << endl;
}
void f3()
{
    cout << "这是一个处理网络链接的任务，执行的进程 ID [" << getpid()
         << "],执行的时间是[" << time(nullptr) << "]\n\n" << endl;
}

void loadFunctor()
{
    info.insert({functors.size(), "这是一个处理日志的任务"});
    functors.push_back(f1);
    info.insert({functors.size(), "这是一个备份数据的任务"});
    functors.push_back(f2);
    info.insert({functors.size(), "这是一个处理网络链接的任务"});
    functors.push_back(f3);
}

// int32_t:进程pid,int32_t:该进程对应的写端fd
typedef std::pair<int32_t, int32_t> elem;
int processNum = 5;

void work(int blockFd)
{
    cout<<"进程 ["<<getpid()<<"] 开始工作！"<<endl;
    //子进程核心工作的代码
    while(true)
    {   
        //a.阻塞等待   b.获取任务信息
        uint32_t operatorCode=0;
         
        ssize_t s=read(blockFd,&operatorCode,sizeof(uint32_t));

        if(s==0)
            break;
        assert(s==sizeof(uint32_t));
        (void)s;

        //c.处理任务
        if(operatorCode<functors.size())
        {
            functors[operatorCode]();
        }
    }
    cout<<"进程 ["<<getpid()<<"] 结束工作！"<<endl;
}   
//[子进程的pid,子进程的管道fd]  
void blanceSendTask(const vector<elem>& assignMap)
{
    srand((long long)time(nullptr));
    while(true)
    {
        sleep(1);
        //选择一个进程,选择进程是随机的，没有压着一个进程一直给任务
        //较为均匀的将任务给所有子进程 ---负载均衡
        uint32_t pick=rand()%assignMap.size();

        //选择一个任务
        uint32_t task=rand()%functors.size();

        //把任务给一个指定的进程
        write(assignMap[pick].second,&task,sizeof(uint32_t));

        //打印对应的提示信息
        cout<<"父进程指派任务->"<<info[task]<<" 给进程: "<<assignMap[pick].first<<" 编号是:"<<pick<<endl;
    }
}
int main()
{
    loadFunctor();
    vector<elem> assignMap;
    //创建processNum个子进程
    for (int i = 0; i < processNum; i++)
    {
        //定义保存管道的fd的对象
        int pipefd[2] = {0};
        //创建管道
        pipe(pipefd);
        //创建子进程
        pid_t id = fork();
        if (id == 0)
        {
            //子进程读取，r
            close(pipefd[1]);
            //子进程执行
            work(pipefd[0]);
            close(pipefd[0]);
            exit(0);
        }
        //父进程做的事情
        close(pipefd[0]);
        elem e(id,pipefd[1]);
        assignMap.push_back(e);
    }
    cout<<"create all process success!"<<endl;
    //父进程派发任务
    blanceSendTask(assignMap);
    //回收资源
    for(int i=0;i<processNum;i++)
    {
        if(waitpid(assignMap[i].first,nullptr,0)>0)
        {
            cout<<"wait for:pid=["<<assignMap[i].first<<"] success!"<<" number: "<<i<<endl;
        }
        close(assignMap[i].second);
    }
    return 0;
}

接下来回归命令行的’|'字符

命令行’|'，其实就是匿名管道！！

在这里我们使用匿名管道也可以让兄弟进程进行通信！

5. 管道的特征总结

1. 管道只能用来进行具有血缘关系的进程之间，进行进程间通信。常用于父子通信
2. 管道只能单向通信(内核的实现决定)—半双工的一种特殊情况
3. 管道自带同步机制(pipe满，writer等，pipe空，reader等)—自带访问控制
4. 管道是面向字节流的。----先写的字符，一定是先被读取的，管道内的数据没有格式边界，需要用户来定义区分内容的边界。
5. 管道的生命周期—管道是文件—进程退出了，增加打开的文件会怎样？–退出，随进程

五、命名管道

那是不是只能父子(血缘)通信？？—毫不相关的进程之间进行通信，可以吗？？？------命名管道！

1. 创建命名管道

命名管道：通过一个FIFO文件–>有路径–>具有唯一性—>通过路径，找到同一个资源！

代码如下
“comm.h”

#pragma once
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define IPC_PATH "./.fifo"

“clientFifo.cpp”

//写入
#include"comm.h"
using namespace std;
#define NUM 1024
int main()
{
    int pipeFd=open(IPC_PATH,O_WRONLY);
    if(pipeFd<0)
    {
        cerr<<"open: "<<strerror(errno)<<endl;
        return 1;
    }
    char line[NUM];
    while(true)
    {
        printf("请输入你的消息# ");
        fflush(stdout);
        memset(line,0,sizeof(line));
        if(fgets(line,sizeof(line),stdin)!=nullptr)
        {
            line[strlen(line)-1]='\0';
            write(pipeFd,line,strlen(line));
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
    close(pipeFd);
    cout<<"客户端退出啦!"<<endl;
    unlink(IPC_PATH);
    return 0;
}

“serverFifo.cpp”

//读取
#include"comm.h"
using namespace std;
#define NUM 1024

int main()
{
    extern int error;
    if(mkfifo(IPC_PATH,0666)!=0)
    {
        cerr<<"mkfifo error"<<endl;
        return 1;
    }
    int pipeFd=open(IPC_PATH,O_RDONLY);
    if(pipeFd<0)
    {
        cerr<<"open error"<<endl;
        return 2;
    }

    //正常的通信过程
    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        ssize_t s=read(pipeFd,buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(s>0)
        {
            buffer[s]='\0';
            cout<<"客户端->服务器# "<<buffer<<endl;
        }
        else if(s==0)
        {
            cout<<"客户端退出啦，我也退出吧！"<<endl;
            break;
        }
        else
        {
            //do nothing
            cout<<"read "<<strerror(errno)<<endl;
            break;
        }
    }
    close(pipeFd);
    cout<<"服务端退出啦!"<<endl;
    return 0;
}

---

总结

(本章完！)