【Linux】Linux进程间通信（一）

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进程间通信介绍

进程间通信的概念

进程间通信简称IPC（Interprocess communication），进程间通信就是在不同进程之间传播或交换信息。

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，比如进程终止时需要通知其父进程。
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。

进程间通信的本质

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。

进程间通信的分类

管道

匿名管道
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

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

匿名管道的原理

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：

这里父子进程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。

pipe函数

pipe函数用于创建匿名管道，pip函数的函数原型如下：

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：

数组元素	  	含义
pipefd[0]	管道读端的文件描述符
pipefd[1]	管道写端的文件描述符

pipe函数调用成功时返回0，调用失败时返回-1。

匿名管道使用步骤

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。

2、父进程创建子进程。

3、父进程关闭写端，子进程关闭读端。

注意：

管道只能够进行单向通信，因此当父进程创建完子进程后，需要确认父子进程谁读谁写，然后关闭相应的读写端。
从管道写端写入的数据会被内核缓冲，直到从管道的读端被读取。

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。

例如，在以下代码当中，子进程向匿名管道当中写入10行数据，父进程从匿名管道当中将数据读出。

//child->write, father->read                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
	int fd[2] = { 0 };
	if (pipe(fd) < 0){ //使用pipe创建匿名管道
		perror("pipe");
		return 1;
	}
	pid_t id = fork(); //使用fork创建子进程
	if (id == 0){
		//child
		close(fd[0]); //子进程关闭读端
		//子进程向管道写入数据
		const char* msg = "hello father, I am child...";
		int count = 10;
		while (count--){
			write(fd[1], msg, strlen(msg));
			sleep(1);
		}
		close(fd[1]); //子进程写入完毕，关闭文件
		exit(0);
	}
	//father
	close(fd[1]); //父进程关闭写端
	//父进程从管道读取数据
	char buff[64];
	while (1){
		ssize_t s = read(fd[0], buff, sizeof(buff));
		if (s > 0){
			buff[s] = '\0';
			printf("child send to father:%s\n", buff);
		}
		else if (s == 0){
			printf("read file end\n");
			break;
		}
		else{
			printf("read error\n");
			break;
		}
	}
	close(fd[0]); //父进程读取完毕，关闭文件
	waitpid(id, NULL, 0);
	return 0;
}

运行结果如下：

管道读写规则

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。

管道的特点

1、管道内部自带同步与互斥机制。

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：

同步： 两个或两个以上的进程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。比如，A任务的运行依赖于B任务产生的数据。
互斥： 一个公共资源同一时刻只能被一个进程使用，多个进程不能同时使用公共资源。

实际上，同步是一种更为复杂的互斥，而互斥是一种特殊的同步。对于管道的场景来说，互斥就是两个进程不可以同时对管道进行操作，它们会相互排斥，必须等一个进程操作完毕，另一个才能操作，而同步也是指这两个不能同时对管道进行操作，但这两个进程必须要按照某种次序来对管道进行操作。

也就是说，互斥具有唯一性和排它性，但互斥并不限制任务的运行顺序，而同步的任务之间则有明确的顺序关系。

2、管道的生命周期随进程。

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。

3、管道提供的是流式服务。

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：

流式服务： 数据没有明确的分割，不分一定的报文段。
数据报服务： 数据有明确的分割，拿数据按报文段拿。

4、管道是半双工通信的。

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。

管道的四种特殊情况

在使用管道时，可能出现以下四种特殊情况：

1.写端进程不写，读端进程一直读，那么此时会因为管道里面没有数据可读，对应的读端进程会被挂起，直到管道里面有数据后，读端进程才会被唤醒。
2.读端进程不读，写端进程一直写，那么当管道被写满后，对应的写端进程会被挂起，直到管道当中的数据被读端进程读取后，写端进程才会被唤醒。
3.写端进程将数据写完后将写端关闭，那么读端进程将管道当中的数据读完后，就会继续执行该进程之后的代码逻辑，而不会被挂起。
4.读端进程将读端关闭，而写端进程还在一直向管道写入数据，那么操作系统会将写端进程杀掉。

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。

第四种情况也不难理解，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。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。

我们可以通过以下代码看看情况四中，子进程退出时究竟是收到了什么信号。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
	int fd[2] = { 0 };
	if (pipe(fd) < 0){ //使用pipe创建匿名管道
		perror("pipe");
		return 1;
	}
	pid_t id = fork(); //使用fork创建子进程
	if (id == 0){
		//child
		close(fd[0]); //子进程关闭读端
		//子进程向管道写入数据
		const char* msg = "hello father, I am child...";
		int count = 10;
		while (count--){
			write(fd[1], msg, strlen(msg));
			sleep(1);
		}
		close(fd[1]); //子进程写入完毕，关闭文件
		exit(0);
	}
	//father
	close(fd[1]); //父进程关闭写端
	close(fd[0]); //父进程直接关闭读端（导致子进程被操作系统杀掉）
	int status = 0;
	waitpid(id, &status, 0);
	printf("child get signal:%d\n", status & 0x7F); //打印子进程收到的信号
	return 0;
}

运行结果显示，子进程退出时收到的是13号信号。

通过kill -l命令可以查看13对应的具体信号。

kill -l

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。

管道的大小

管道的容量是有限的，如果管道已满，那么写端将阻塞或失败，那么管道的最大容量是多少呢？

方法一：使用man手册

根据man手册，在2.6.11之前的Linux版本中，管道的最大容量与系统页面大小相同，从Linux 2.6.11往后，管道的最大容量是65536字节。

然后我们可以使用uname -r命令，查看自己使用的Linux版本。

根据man手册，我使用的是Linux 2.6.11之后的版本，因此管道的最大容量是65536字节。

方法二：使用ulimit命令

其次，我们还可以使用ulimit -a命令，查看当前资源限制的设定。

根据显示，管道的最大容量是 512 × 8 = 4096 512\times8=4096512×8=4096 字节。

方法三：自行测试

这里发现，根据man手册得到的管道容量与使用ulimit命令得到的管道容量不同，那么此时我们可以自行进行测试。

前面说到，若是读端进程一直不读取管道当中的数据，写端进程一直向管道写入数据，当管道被写满后，写端进程就会被挂起。据此，我们可以写出以下代码来测试管道的最大容量。

#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
	int fd[2] = { 0 };
	if (pipe(fd) < 0){ //使用pipe创建匿名管道
		perror("pipe");
		return 1;
	}
	pid_t id = fork(); //使用fork创建子进程
	if (id == 0){
		//child 
		close(fd[0]); //子进程关闭读端
		char c = 'a';
		int count = 0;
		//子进程一直进行写入，一次写入一个字节
		while (1){
			write(fd[1], &c, 1);
			count++;
			printf("%d\n", count); //打印当前写入的字节数
		}
		close(fd[1]);
		exit(0);
	}
	//father
	close(fd[1]); //父进程关闭写端

	//父进程不进行读取

	waitpid(id, NULL, 0);
	close(fd[0]);
	return 0;
}

可以看到，在读端进程不进行读取的情况下，写端进程最多写65536字节的数据就被操作系统挂起了，也就是说，我当前Linux版本中管道的最大容量是65536字节。

总结：

今天我们学习了Linux进程间通信的相关知识，了解了进程间通信介绍，管道等 。接下来，我们将继续学习Linux的其他知识。希望我的文章和讲解能对大家的学习提供一些帮助。

当然，本文仍有许多不足之处，欢迎各位小伙伴们随时私信交流、批评指正！我们下期见~