Linux之进程间通信（管道）
目录
一、进程间通信
1、进程间通信的概念
2、进程间通信的目的
3、进程间通信的分类
二、管道
1、管道基本介绍
2、匿名管道
3、命名管道
一、进程间通信
1、进程间通信的概念
什么是进程间通信？
我们在学习了进程的相关知识后，知道，进程的运行是具有独立性的，每个进程都有自己独立的PCB，也都有只属于自己的地址空间，进程之间是互不干扰的。
所以说，进程之间要通信的话，难度是非常大的。
进程间通信的本质：操作系统需要直接或者间接给通信双方的进程提供一段 “内存空间”，并且要让不同的进程看到同一份资源（内存空间）。而这个内存空间不应该属于任何一个进程，而应该由操作系统来维护。
所以，进程间通信的最大成本就是：操作系统在设计的原生层面，进程是互相独立的，但是现在需要让它们之间进行通信。那么应该如何让不同的进程看到同一份资源。
2、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（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。
3、进程间通信的分类
~ 管道：1、匿名管道pipe 2、命名管道
~ System V IPC：1、System V 消息队列 2、System V 共享内存 3、System V 信号量
~ POSIX IPC：1、消息队列 2、共享内存 3、信号量 4、互斥量 5、条件变量 6、读写锁
进程间通信的必要性：如果只是使用单进程，那么也就无法使用并发能力，更加无法实现多进程协同工作。
本篇文章我们来具体讲一讲，管道的相关知识。
二、管道
1、管道基本介绍
什么是管道？
1、管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。
2、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”。
管道只能进行单向通信，用来传输资源：数据。
我们按下面的步骤来分析：
1、首先，父进程分别以读和写的方式，打开了一个文件。
2、然后，父进程fork创建了一个子进程，我们知道，子进程会继承父进程，指向同一个文件。
3、我们规定，父进程对文件写入，子进程对文件读取。关闭父子进程各自不需要的功能。即：父进程关闭读的文件描述符，子进程关闭写的文件描述符。
最终，通过该文件就实现了单向通信。这就是管道。管道的本质其实就是内存级文件。所以两个进程间通信的数据，不需要刷新到磁盘里。
为什么能够这样做？
文件有属于自己的内核缓冲区，所以父进程和子进程有一份公共的资源：文件系统提供的内核缓冲区，父进程可以向对应的文件的文件缓冲区写入，子进程可以通过文件缓冲区读取，此时就完成了进程间通信。
管道一般用来进行具有血缘关系的进程（父子进程）之间的通信。
管道分为匿名管道和命名管道。下面我们就来具体讲一讲它们的内容。
2、匿名管道
通过文件名区分文件，但是如果当前进程的文件没有名字，这样的内存级文件称为匿名管道。匿名管道能用来父进程和子进程之间进行进程间通信。
匿名管道文件在磁盘上也没有实体，它只存在于内存中。
函数：pipe，调用成功返回0，调用失败返回-1。
SYNOPSIS
#include
int pipe(int pipefd[2]);
DESCRIPTION
pipe() creates a pipe，pipefd[0] refers to the read end of the pipe. pipefd[1] refers to the write end of the pipe.
RETURN VALUE
On success, zero is returned. On error, -1 is returned, and errno is set appropriately. 我们首先创建管道文件，打开读写端：在pipefd数组中，pipefd[0]代表读，pipefd[1]代表写。
#include
#include
#include
using namespace std;
int main()
{
// 创建管道
int pipefd[2] = {0};
int n = pipe(pipefd);
assert(n != -1);
(void)n;
cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << endl;
cout << "pipefd[1]: " << pipefd[1] << endl;
return 0;
} 
接着，我们fork创建子进程， 然后，我们关闭父子进程不需要的文件描述符，完成通信框架的建立：
#include
#include
#include
using namespace std;
int main()
{
// 创建管道
int pipefd[2] = {0};
int n = pipe(pipefd);
assert(n != -1);
(void)n;
pid_t id = fork();
assert(id != -1);
if(id == 0)
{
//子进程
close(pipefd[1]);
exit(0);
}
//父进程
close(pipefd[0]);
return 0;
} 最后，我们通过父进程给子进程发送消息来检测通信：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
int main()
{
// 创建管道
int pipefd[2] = {0};
int n = pipe(pipefd);
assert(n != -1);
(void)n;
// 创建子进程
pid_t id = fork();
assert(id != -1);
if (id == 0)
{
// 子进程
close(pipefd[1]);
char buffer[1024];
while (true)
{
ssize_t mess = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));
if (mess > 0)
{
buffer[mess] = 0;
cout << "father process say: " << buffer << endl;
}
}
exit(0);
}
// 父进程
close(pipefd[0]);
string message = "i am father ->";
char buff[1024];
int count = 0;
while (true)
{
snprintf(buff, sizeof(buff), "%s[%d]: %d", message.c_str(), getpid(), count++);
write(pipefd[1], buff, sizeof(buff));
sleep(1);
}
pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);
assert(ret > 0);
(void)ret;
close(pipefd[1]);
return 0;
} 
管道的特点：
1、管道是用来进行具有血缘关系的进程间的通信，常用于父子进程。
2、管道能够让进程间协同，提供了访问控制。
3、管道是面向字节流的。
4、管道的生命周期随进程，进程退出，管道释放。
5、管道是单向通信，是半双工通信的特殊情况。
6、内核会对管道操作进行互斥与同步。
下面我们针对管道的特点2，来进行演示：
~ 读快写慢
其余代码不变，我们仅让父进程在每次写入后，休眠10秒再写。
我们发现，父进程休眠期间，子进程会等待父进程写入后再读取。（如果管道中没有数据，读端在读，此时默认会直接阻塞当前正在读取的进程）
~ 读慢写快
我们让父进程不停地写入。
子进程休眠5秒后再读取。
拿着管道读端不读，写端一直在写：写端往管道里写，而管道是有大小的，不断往写端写，会被写满。
管道是固定大小的缓冲区，当管道被写满，就不能再写了。此时写端会阻塞。而休眠结束后，子进程就会开始读取，这时父进程才能继续写入。
~ 关闭写入端
父进程写入端关闭：写完第一次后，父进程休眠6秒，然后结束循环，关闭写入端。
父进程作为写入的一方，关闭了写入端，子进程作为读取的一方，read会返回0，表示读到了文件的结尾。这时我们让子进程结束循环，并退出。
~ 关闭读端
管道是单向的：读端关闭，再写入就没有意义了，这时OS会终止写端，会给写进程发送信号，终止写端。
为了方便观察，我们让父进程读取，子进程写入。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int pipefd[2] = { 0 };
if (pipe(pipefd) < 0)
{
perror("pipe");
return 1;
}
pid_t id = fork();
if (id == 0){
//child
close(pipefd[0]);
const char* msg = "hello father, I am child...";
int count = 10;
while (count--){
write(pipefd[1], msg, strlen(msg));
sleep(1);
}
close(pipefd[1]);
exit(0);
}
//father
close(pipefd[1]);
close(pipefd[0]);
int status = 0;
waitpid(id, &status, 0);
printf("child get signal:%d\n", status & 0x7F);
return 0;
} 
操作系统向子进程发送的是SIGPIPE信号将子进程终止。
3、命名管道
上面我们所讲的匿名管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。
而如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。命名管道是一种特殊类型的文件。
一个进程打开了一个文件后，Linux内核里会有文件的struct file结构。如果还有第二个进程要打开这个文件，那么只要路径相同，那么两个进程打开的文件一定是同一个且是唯一的，那么第二个进程不需要继续创建struct file对象，因为OS会识别到打开的文件被打开了。
此时两个进程就看到了同一份资源，该文件也不需要把数据刷新到磁盘上去，不需要IO。
所以说，命名管道是真实存在于系统路径下的，只是它只有属性，没有内容。它能够使用open，close函数被打开或关闭。
mkfifo：也可以作为命令直接在指定路径下创建命名管道。mkfifo 命名管道名称
NAME
mkfifo - make FIFOs (named pipes)
SYNOPSIS
#include
#include
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
RETURN VALUE
On success mkfifo() returns 0. In the case of an error, -1 is returned (in which case, errno is set appropriately). 下面我们就来使用一下：我们有三个文件，server.cc（读取端） ，client.cc（写入端） 是两个源文件，它们运行后会是两个不同且无关系的进程，我们来进行它们之间的通信。comm.h是一个头文件。
comm.h
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
string ipcPath = "./fifo.ipc";
#define MODE 0666
#define SIZE 128 server.cc
#include "comm.hpp"
int main()
{
// 1.创建命名管道
int ret = mkfifo(ipcPath.c_str(), MODE);
if (ret == -1)
{
perror("mkfifo");
exit(1);
}
// 2.正常文件操作:通信
int fd = open(ipcPath.c_str(), O_RDONLY);
if (fd < 0)
{
perror("open");
exit(2);
}
char buffer[SIZE];
while (true)
{
ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if (s > 0)
{
cout << "client say :" << buffer << endl;
}
else if (s == 0)
{
cerr << "read the end of file -> client quit, server quit too" << endl;
break;
}
else
{
perror("read");
break;
}
}
close(fd);
return 0;
}client.cc
#include "comm.hpp"
int main()
{
// 1.打开命名管道
int fd = open(ipcPath.c_str(), O_WRONLY);
if (fd < 0)
{
perror("open");
exit(1);
}
string buffer;
while (true)
{
cout << "please enter message ->" << endl;
getline(cin, buffer);
write(fd, buffer.c_str(), buffer.size());
}
close(fd);
return 0;
}通信演示：
