进程间通信基础知识【Linux】——上篇
目录
一，理解进程之间的通信
1. 进程间通信目的
2. 进程间通信的技术背景
3，常见的进程间通信
二，管道
1. 尝试建立一个管道
管道的特点：
管道提供的访问控制：
2. 扩展：进程池
阶段一： 创建多个子进程
阶段二：构建命令方法
ProcessPool.cpp
task.hpp
下一期：进程通信基础知识
结语
一，理解进程之间的通信
首先，系统在设计时，秉持这相互独立的原则，因此要想实现进程之间的通信是比较困难的。而进程之间的通信本质上是：不同的进程能访问同一份数据。
1. 进程间通信目的
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 + 页表 保证进程之间的独立性 （内核中数据结构 ， 代码以及数据）
2）通信成本比较高。
3，常见的进程间通信
1. Linux系统——管道
2. SystemV——单机通信(多进程)
3. posix——网络通信
二，管道
而这个 “ 管道 ”虽然是一个文件，但它不向硬盘写入，管道里的数据是内存级的临时数据。
fd 这个变量就是我们父进程创建的那个pipefile（管道文件描述符存储数组），在经过pipe创建后，将管道的文件描述符填入fd数组中。
1. 尝试建立一个管道
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
int main()
{
// 用数组记录，读写端
int pipefd[2] = {0}; // pipefd[0],是读端，0就如一张口；pipefd[1],是写端，1就如一只笔。
int ret = pipe(pipefd);
assert(ret != -1);
pid_t pd = fork();
// 假设父进程需要：写。
if (pd == 0)
{ // 子进程创建成功
// 子进程则需要的是：读
close(pipefd[1]);
cout << "chail success" << endl;
char red[1024];
// 循环接收并打印数据
while (1)
{
read(pipefd[0], red, sizeof (red) -1);
cout << red << "### " << "我是子进程,pid:" << getpid() << "父进程: " << getppid() << endl;
}
exit(1);
}
// 父进程， 功能：写
close(pipefd[0]);
string base_str = "我是父进程, 正在给你发消息:";
char buffer[1024]; // 输出缓冲区
int count = 0;
while (1) // 不断地向子进程发送数据
{
// 向缓冲区里，不断输入变换的消息
int len = snprintf(buffer, sizeof buffer, "%s pid = [%d], 消息数量: %d", base_str.c_str(), getpid(), count++);
// 向管道写入
write(pipefd[1], buffer, len);
sleep(1); // 一秒秒的刷新
}
return 0;
} 
发现现象：
我们是否注意到，在父进程写数据时，是每隔一秒写一份到管道，而我们没有限制子进程打印的间隔，但从结果来看，向管道内取数据（子进程打印过程）似乎受到了什么控制。
我们尝试将父进程的写入间隔设置为默认0，将子进程的读出时间设置为10秒一次读。结果上，我们能看到父进程在写入到一定次数后，停止了写入；子进程经过10秒后，会打印一大堆数据，直到打印完为止。从这个现象我们可以发现：
管道提供访问控制。管道本质上也是一个文件，那么也有其最大容量，当即将满时，暂停写入，等待空间；当管道为空时，读操作将进行等待，等待数据写入。
管道的特点：
1. 管道是用来父子关系的通信管道，是具有继承性的。
2. 管道可以提供进程间通信，提供访问控制。
3. 管道提供面向流试的通信服务（字节流——需要协议进行数据区分，后面我们再聊）。
4. 管道是基于文件的，文件的生命周期是随进程的，因此管道的生命周期也是随进程的。
5. 管道是单向通信，属于半双工通信的一种（半双工意思是永远只有一方在写，一方在读；全双工则可以双方在写，双方在读）
管道提供的访问控制：
2. 扩展：进程池
相关知识：
1.）unin32_t 类型
uint32_t是一个无符号32位整数类型，其意义在于表示一个无符号的32位整数，范围为0到4294967295。使用uint32_t类型可以确保数据的范围和位数符合要求，同时提高代码的可移植性和可读性。这样不管在任何一种型号的机器上sizeof取得的字节数都是4字节。ssize_t类型表示有符号的大小类型，通常用于表示某些系统调用的返回值或参数。它的大小通常与机器的字长相同，即32位机器上为4字节，64位机器上为8字节。ssize_t类型通常用于表示读取或写入的字节数。
2.）functiaonal 头文件
头文件 functional 是 C++ 标准库中的一个头文件，它包含了一些模板类和函数对象，用于支持函数式编程和泛型编程。这些类和函数对象可以帮助程序员编写更加灵活和抽象的代码，提高代码的可读性和可维护性。它还提供了一些算法和函数，如 std::function、std::bind、std::mem_fn 等，用于处理函数对象和函数指针，以及实现函数的组合、绑定和适配等功能。
因此，头文件 functional 的意义在于为 C++ 程序员提供了一些强大的工具，帮助他们更好地利用函数式编程和泛型编程的特性，提高代码的质量和效率。
首先什么是进程池？？
通俗的理解为，子进程替父进程进行数据处理。
父进程为了在主程序中完成任务，需要让子进程去处理数据，整理，整合数据，但为了提高创建父进程的效率，在父进程还未向子进程派发任务前，提前创建多个子进程，然后通过管道进行命令传递。
阶段一： 创建多个子进程
通过for循环创建多个子进程，并通过管道联系！
阶段二：构建命令方法
我们将方法单独一个文件，向管道中读取命令信息，然后根据命令信息调用对应的方法。
ProcessPool.cpp
#include
#include
#include
#include
#include "Task.hpp" //导入的方法文件
#include
#include
#include
using namespace std;
#define NAM_OF_PRO 5
// 对命令进行处理
int waitcommand(int fd, bool& quit)
{
uint32_t command = 0; // 取个32位的类型，用来获取4字节的数据
ssize_t byte = read(fd, &command, sizeof command);
// 如果父进程没有发送
if (byte == 0)
{
quit = true; // 命令管道开启 //你将他开启了
return 0;
}
// 检测是否是4字节的命令消息1
assert(byte == sizeof (uint32_t));
return command;
}
int main()
{
// 阶段一 ； 创建多个子进程
// 放pid 与 创建时所在的端口——fd
vector> slots; // slots 位置的意思
// 创建多个进程
for (int i = 0; i < NAM_OF_PRO; i++)
{
// 建立管道
int pipefil[2] = {0};
int ret = pipe(pipefil);
assert(ret != -1); // 管道检测
// 创建子进程
pid_t fd = fork();
if (fd == 0) // 子进程
{
// 关闭写端
close(pipefil[1]);
while (1)
{
// 处理子进程任务
//未接收数据，子进程进入阻塞状态
// 阶段二：为子进程设置任务
bool quit = false; // 管道是否被使用
int k = waitcommand(pipefil[0], quit); // 进入等待命令函数
// cout << "K:" << k << " quit " << quit << endl;
if (quit)
break; // 目的：当我们开始关闭管道时，read()会读取0字节，这时让子进程退出
tasklist[k](); // 利用函数容器直接调用，方法函数
}
exit(1);
}
// 父进程，关闭读端
close(pipefil[0]);
// 同时记录子进程，pid数据
slots.push_back({fd, pipefil[1]});
}
// 阶段二： 父进程向子进程传递命令信息
// 要想达到子进程接受命令较合理——负载均衡。
srand((unsigned)time(0) ^ getpid() * 233333); // 位运算与相乘2333333，目的是：让数据更随机
uint32_t command = 0;
Taskloading(); // 对方法进行加载
while (true)
{
cout << "###########################################################\n";
cout << "## 0. 退出 1. 查看方法表 2. 输入命令 #############\n";
cout << "###########################################################\n";
cout << "请输入：";
cin >> command;
//你往管道里面写数据的逻辑在哪里，定位到那里先
//子进程正常执行了，你的问题是什么
if (command == 1 )
{
print_task();
// continue;
} else if ( command == 2)
{
cout << "Please imput command : ";
cin >> command;
if (!(command >= 0 && command < tasklist.size()))
{
cout << "无效命令" << endl;
continue;
}
size_t n = rand() % slots.size(); // 随机数选择子进程
ssize_t ret = write(slots[n].second, &command, sizeof command);
if ( ret != sizeof command)
{
cout << " write fail " << endl;
}else
{
cout << " write success " << " child pid:[" << slots[n].first << "] " << "执行："
<< command << " " << task_inf[command]<< endl;
}
}else if (command == 0)
{
cout << "退出成功" << endl;
break;
}
else
{
cout << "无效命令,请重新输入" << endl;
}
sleep(1);
}
// 完成分配后，关闭管道
for (const auto& e : slots)
{
close(e.second);
}
// 回收子进程
for (const auto& e : slots)
{
waitpid(e.first, nullptr, 0); // 由于auto只遍历一次，所以不能用轮询回收
}
return 0;
} task.hpp
#pragma once
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
typedef function func;
vector tasklist; // 记录方法数
unordered_map task_inf; // 记录方法信息。
void readMySQL()
{
cout << " process : " << getpid() << " 访问数据库";
}
void val()
{
cout << " process : " << getpid() << " 进行数据运算";
}
void save()
{
cout << " process : " << getpid() << " 进行数据持久化";
}
void cal()
{
cout << " process : " << getpid() << " 进行数据加密";
}
// 加载任务表
void Taskloading()
{
task_inf.insert({tasklist.size(), "readMySQL"});
tasklist.push_back(readMySQL);
task_inf.insert({tasklist.size(), "val"});
tasklist.push_back(val);
task_inf.insert({tasklist.size(), "save"});
tasklist.push_back(save);
task_inf.insert({tasklist.size(), "cal"});
tasklist.push_back(cal);
cout << "方法加载成功！" << endl;
}
// 打印方法表
void print_task()
{
for (const auto& e : task_inf)
{
cout << e.first << " " << e.second << endl;
}
}
int tasksize()
{
return tasklist.size();
} 我给大家留了个坑，不知道大家有没有发现呢？ 我们在最后的时候调用不了函数
解析： 是进程的独立性导致的。 我们知道我们在已经对方法容器进行了加载，但是在fork之后父进程的加载，父进程进行了实时拷贝，子进程的tasklist任然是未加载状态，这时你就会问了，既然子进程访问的是一个空容器，那我们不就是非法访问了吗？？ 是的，我们没有看到报错是因为我们在父进程，子进程的报错不会导致父进程退出，我们通过 查看进程状态表即可发现，由于子进程的非法访问，导致子进程崩溃，成为了僵尸进程。
解决方法：
1， fork前，进行方法表加载。
2. 每个子进程都加载。
分析：父子进程，对共享的全局变量，都只是只读的权限，修改则要写实拷贝，因此，要么全局变量在fork之前就数据加载好；要么，在每个子进程都加载一份方法表。如果是我，我会一开始就加载好，这样就只要保存一份数据。
下一期：进程通信基础知识
结语
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