> 作者：დ旧言~
> 座右铭：松树千年终是朽，槿花一日自为荣。> 目标：理解进程通信----管道通信
> 毒鸡汤：有些事情，总是不明白，所以我不会坚持。早安!
> 专栏选自：Linux初阶
> 望小伙伴们点赞????收藏✨加关注哟????????
????前言
当我们创建两个进程，希望它们可以相互沟通，我的内容你可以读，我的内容你可以写，这种联系我们就需要我们的管道，这个管道就可以达成两个进程或者更多进程相互通信，那这个关系在Linux中是如何实现的呢，我们又该如何理解呢？
⭐主体
学习【Linux】静态库和动态库咱们按照下面的图解：
???? 什么是进程间通信
???? 进程间通信介绍
什么是进程间通信？
进程具有独立性，每个进程都有自己的PCB，所以进程间需要通信，并且通信的成本一定不低（通信的本质：OS需要直接或者间接给通信双方的进程提供“内存空间”，并且要通信的进程，必须看到一份公共的资源）
图解：
如何去通信？
- 采用标准的做法：System V进程间通信（聚焦在本地通信，如共享内存）、POSIX进程间通信（让通信过程可以跨主机）。
- 采用文件的做法：管道-基于文件系统（匿名管道、命名管道）
管道通信的特点：
是面向字节流、占用内存空间、只能单向传输、有固定的大小和缓冲区等。
总结：
而我们所说的不同通信种类本质就是：上面所说的资源，是OS中的哪一个模块提供的。如文件系统提供的叫管道通信；OS对应的System V模块提供的…，（成本不低是因为我们需要让不同的进程看到同一份资源。）
???? 进程间通信目的
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）
为什么要有进程间通信？
有时候我们需要多进程协同的，完成某种业务内容。比如管道。
图解：
???? 进程间通信分类
进程间通信分类：（匿名管道和命名管道）
- 匿名管道是只能在父子进程间使用的，它通过pipe()函数创建，并返回两个文件描述符，一个用于读，一个用于写。
- 命名管道是可以在任意进程间使用的，它通过mkfifo()或mknod()函数创建一个特殊的文件，然后通过open()函数打开，并返回一个文件描述符，用于读或写。
???? 管道的实现和理解
???? 管道介绍
概念：
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"
分析：
任何一个文件包括两套资源：1.file的操作方法 2.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，这种方式提供的文件称为管道文件。管道文件本质就是内存级文件，不需要IO。
两个进程如何看到同一个管道文件：fork创建子进程完成
管道创建时分别以读和写方式打开同一个文件（如果只读或者只写，子进程也只会继承只读或只写，父子双方打开文件的方式一样，无法完成单向通信）；父进程创建子进程，父进程以读写打开，子进程也是以读写打开（一般而言，管道只用来进行单向数据通信）；关闭父子进程不需要的文件描述符，完成通信。
???? 匿名管道
概念：
我们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。让两个进程看到同一个文件，通过父进程创建子进程，子进程继承文件地址的方式，看到同一个内存级文件，此时内存级文件没有名称就是匿名管道了。匿名管道能用来父进程和子进程之间进行进程间通信。
1.pipe
作用及其使用：
- 创建一个管道只需要调用pipe，注意头文件，返回值，以及函数的参数。
- 头文件为#include <unistd.h>，调用成功返回0，调用失败返回-1。参数是输出型参数。
SYNOPSIS
#include <unistd.h>
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.
创建Makefile文件：
mypipe:mypipe.cc
g++ mypipe.cc -o mypipe
.PHONY:clean
clean:
rm -f mypipe创建管道文件，打开读写端：
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
using namespace std;
int main()
{
int fds[2];
int n = pipe(fds);
assert(n == 0);
//0,1,2->3,4
//[0]:读取 [1]:写入
cout<<"fds[0]:"<<fds[0]<<endl;//3
cout<<"fds[1]:"<<fds[1]<<endl;//4
return 0;
}
因此，fds[0]:3代表读取，fds[1]:4代表写入；
fork子进程：
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;
int main()
{
int fds[2];
int n = pipe(fds);
assert(n == 0);
//fork
pid_t id = fork();
assert(id>=0);
if(id==0)
{
//子进程通信
exit(0);
}
//父进程通信
n = waitpid(id,nullptr,0);
assert(n==id);
return 0;
}
关闭父子进程不需要的文件描述符,完成通信：（子进程写入，父进程读取）
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int main()
{
int fds[2];
int n = pipe(fds);
assert(n == 0);
//fork
pid_t id = fork();
assert(id>=0);
if(id==0)
{
//子进程通信:子进程进行写入,关闭读
close(fds[0]);
//通信
const char*s = "这是子进程,正在进行通信";
int cnt = 0;
while(true)
{
cnt++;
char buffer[1024];
snprintf(buffer,sizeof buffer,"child->parent say:%s[%d][%d]",s,cnt,getpid());
//写端写满的时候，在写会阻塞，等对方进行读取
write(fds[1],buffer,strlen(buffer));//系统接口
sleep(1);//一秒写一次
}
//退出前关闭子进程
close(fds[1]);
exit(0);
}
//父进程通信：父进程进行读取，关闭写
close(fds[1]);
//通信
while(true)
{
char buffer[1024];
//管道中如果没有数据，读端在读，默认会直接阻塞当前正在读取的进程
ssize_t s = read(fds[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
if(s>0) buffer[s] = 0;
cout<<"Get Message# "<<buffer<<"|mypid:"<<getpid()<<endl;
}
n = waitpid(id,nullptr,0);
assert(n==id);
//结束前关闭
close(fds[0]);
return 0;
}
2.读写特征
管道读写特征：
- 1.读快写慢
分析：
- 子进程休眠时，不在写入，父进程在读取（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）
代码：
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <sys/wait.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> int main() { int fds[2]; int n = pipe(fds); assert(n == 0); pid_t id = fork(); assert(id >= 0); if (id == 0) // 子进程 { // 子进程通信,关闭子进程的读取端，即子进程进行写入 close(fds[0]); const char *s = "你好，我是子进程，正在进行通信"; int cnt = 0; while (1) { cnt++; char buffer[1024]; snprintf(buffer, sizeof buffer, "child -> parent say:%s [%d], [%d]", s, cnt, getpid()); write(fds[1], buffer, strlen(buffer)); sleep(50); // 每一秒写一次 } close(fds[1]); // 退出子进程前关闭文件写入端 exit(0); } // 父进程 close(fds[1]); // 父进程关闭写入端，即父进程进行读取 while (1) { char buffer[1024]; printf("!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!\n"); ssize_t s = read(fds[0], buffer, sizeof(buffer) - 1); printf("888888888888888888888888888888888888!!\n"); if (s > 0) buffer[s] = 0; printf("Get Message : %s | mypid = %d\n", buffer, getpid()); } n = waitpid(id, NULL, 0); assert(n == id); close(fds[0]); // 退出程序前，关闭读取端 return 0; }
- 2.读慢写快
分析：
- 读取管道的进程一直不进行读取，而写端一直在写入。写端可以向管道内写入，但是管道是固定大小的缓冲区，不断的只写不读管道会被写满。满了以后就不能再写入了，此时写端会处于阻塞状态。
文件mypipe.cc
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <sys/wait.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> int main() { int fds[2]; int n = pipe(fds); assert(n == 0); pid_t id = fork(); assert(id >= 0); if (id == 0) // 子进程 { // 子进程通信,关闭子进程的读取端，即子进程进行写入 close(fds[0]); const char *s = "你好，我是子进程，正在进行通信"; int cnt = 0; while (1) { cnt++; char buffer[1024]; snprintf(buffer, sizeof buffer, "child -> parent say:%s [%d], [%d]", s, cnt, getpid()); write(fds[1], buffer, strlen(buffer)); printf("count: %d\n", cnt); } close(fds[1]); // 退出子进程前关闭文件写入端 exit(0); } // 父进程 close(fds[1]); // 父进程关闭写入端，即父进程进行读取 while (1) { sleep(50); // 父进程不读 char buffer[1024]; ssize_t s = read(fds[0], buffer, sizeof(buffer) - 1); printf("Get Message : %s | mypid = %d\n", buffer, getpid()); } n = waitpid(id, NULL, 0); assert(n == id); close(fds[0]); // 退出程序前，关闭读取端 return 0; }
拓展：
如果休息sleep(2),这种情况，写端是将数据塞到管道内，管道读取是安装指定大小读取（并非一行一行的读取，最初安装一行来读取是因为写入的慢，一次只写一行数据，数据就被读取了）。
- 3.写入关闭，读到0
子进程写入端关闭：
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <sys/wait.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> int main() { int fds[2]; int n = pipe(fds); assert(n == 0); pid_t id = fork(); assert(id >= 0); if (id == 0) // 子进程 { // 子进程通信,关闭子进程的读取端，即子进程进行写入 close(fds[0]); const char *s = "你好，我是子进程，正在进行通信"; int cnt = 0; while (1) { cnt++; char buffer[1024]; snprintf(buffer, sizeof buffer, "child -> parent say:%s [%d], [%d]", s, cnt, getpid()); write(fds[1], buffer, strlen(buffer)); printf("count: %d\n", cnt); break; } close(fds[1]); // 退出子进程前关闭文件写入端 exit(0); } // 父进程 close(fds[1]); // 父进程关闭写入端，即父进程进行读取 while (1) { sleep(2); // 父进程不读 char buffer[1024]; ssize_t s = read(fds[0], buffer, sizeof(buffer) - 1); if (s > 0) { buffer[s] = 0; printf("Get Message : %s | mypid = %d\n", buffer, getpid()); } else if (s == 0) // 写入端关闭，读到文件末尾了 { printf("read: %d\n", s); break; // 关闭读取端 } } n = waitpid(id, NULL, 0); assert(n == id); close(fds[0]); // 退出程序前，关闭读取端 return 0; }
- 4. 读取端关闭，写入端直接关闭
关闭读取端后，写入端就没有意义了，因此OS会给写入的进程发送信号，终止该进程。
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <sys/wait.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> int main() { int fds[2]; int n = pipe(fds); assert(n == 0); pid_t id = fork(); assert(id >= 0); if (id == 0) // 子进程 { // 子进程通信,关闭子进程的读取端，即子进程进行写入 close(fds[0]); const char *s = "你好，我是子进程，正在进行通信"; int cnt = 0; while (1) { cnt++; char buffer[1024]; snprintf(buffer, sizeof buffer, "child -> parent say:%s [%d], [%d]", s, cnt, getpid()); write(fds[1], buffer, strlen(buffer)); printf("count: %d\n", cnt); } close(fds[1]); // 退出子进程前关闭文件写入端 printf("子进程关闭写入端\n"); exit(0); } // 父进程 close(fds[1]); // 父进程关闭写入端，即父进程进行读取 while (1) { sleep(2); // 父进程不读 char buffer[1024]; ssize_t s = read(fds[0], buffer, sizeof(buffer) - 1); if (s > 0) { buffer[s] = 0; printf("Get Message : %s | mypid = %d\n", buffer, getpid()); } break; // 关闭读取端 } close(fds[0]); // 退出程序前，关闭读取端 printf("父进程关闭读取端\n"); n = waitpid(id, NULL, 0); assert(n == id); return 0; }
3.管道特征
1.管道的生命周期随进程，进程退出，管道释放
2.管道可以用来进行具有血缘关系的进程间通信（常用于父子通信）
3.管道是面向字节流的
4.半双工—单向通信（特殊）
5.互斥与同步机制——对共享资源进行保护的方案
???? 命名管道
概念：
我们前面已经知道：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。那如果两个毫不相干的进程间通信交互呢？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
1.mkfifo
使用说明
NAME
mkfifo - make FIFOs (named pipes)
SYNOPSIS
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
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).
在当前路径下直接创建命名管道：
mkfifo named_pipe往管道文件写东西：
2.创建管道文件
分为三个文件：comm.hpp:公共文件（同一份资源），server.cc:读取端,clinet.cc：写入端
comm.hpp文件（同一份资源）
#pragma once
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <cassert>
#define NAMED_PIPE "/tmp/mypipe.name"
bool createFifo(const std::string &path)
{
umask(0);
int n = mkfifo(path.c_str(),0666);
if(n==0) return true;
else
{
std::cout<<"errno:"<<errno<<"err string:"<<strerror(errno)<<std::endl;
return false;
}
}
server.cc:
#include "comm.hpp"
int main()
{
bool ret = createFifo(NAMED_PIPE);
assert(ret);
(void)ret;
return 0;
}
运行：
3.删除管道文件
使用说明
unlink 注意头文件，函数的参数以及返回值这三个主要部分：
NAME
unlink - remove a directory entry
SYNOPSIS
#include <unistd.h>
int unlink(const char *path);
RETURN VALUE
Upon successful completion, 0 shall be returned. Otherwise, -1 shall be returned and errno set to indicate the error. If -1 is returned, the named file shall not be changed.
在comm.hpp中封装好删除的函数：
void removeFifo(const std::string &path)
{
int n = unlink(path.c_str());
assert(n==0);
(void)n;//防止n没使用而警告
}
在server.cc中进行调用：
#include "comm.hpp"
int main()
{
bool ret = createFifo(NAMED_PIPE);
assert(ret);
(void)ret;
removeFifo(NAMED_PIPE);
return 0;
}
至此，创建和删除管道文件的操作我们实现完毕。下面进入通信环节
4.通信
说明：
其实在了解完了匿名管道之后，对于命名管道我们能够更好的理解：
client.cc(写端):
#include "comm.hpp"
int main()
{
int wfd = open(NAMED_PIPE,O_WRONLY);
if(wfd<0) exit(1);
//write
char buffer[1024];
while(true)
{
std::cout<<"Please Say:";
fgets(buffer,sizeof(buffer),stdin);
//if(strlen(buffer)>0) buffer[strlen(buffer)-1] = 0;
ssize_t n = write(wfd,buffer,strlen(buffer));
assert(n==strlen(buffer));
(void)n;
}
close(wfd);
return 0;
}
server.cc(读端):
#include "comm.hpp"
int main()
{
bool ret = createFifo(NAMED_PIPE);
assert(ret);
(void)ret;
int rfd = open(NAMED_PIPE,O_RDONLY);
if(rfd<0) exit(1);
//read
char buffer[1024];
while(true)
{
ssize_t s = read(rfd,buffer,sizeof(buffer)-1);
if(s>0)
{
buffer[s] = 0;
std::cout<<"client->server" <<buffer<<std::endl;
}
else if(s==0)
{
std::cout<<"client quit，俺也一样"<<std::endl;
break;
}
else
{
std::cout<<"err string:"<<strerror(errno)<<std::endl;
break;
}
}
close(rfd);
removeFifo(NAMED_PIPE);
return 0;
}
进行通信：
读端多出一行空行：写端输入之后多按了回车，修改为buffer[strlen(buffer)-1] = 0;
if(strlen(buffer) > 0) buffer[strlen(buffer) - 1] = 0;
???? 管道通信的优化
管道通信的优点有以下几点：
- 管道通信是简单易用的，只需要使用系统调用 pipe 或 mkfifo 就可以创建一个管道文件，然后使用文件操作函数来读写数据。
- 管道通信是安全的，匿名管道只能用于具有亲缘关系的进程间通信，命名管道可以通过文件权限来控制访问。
- 管道通信是面向字节流的，不需要事先约定数据的格式，也不需要考虑字节序的问题。
管道通信的缺点有以下几点：
- 管道通信是单向的，如果要实现双向通信，需要创建两个管道。
- 管道通信是阻塞式的，如果读端没有数据可读或者写端没有空间可写，进程会被阻塞。
- 管道通信是缓冲区有限的，如果写入数据过多而读出数据过少，会导致缓冲区满而无法继续写入。
- 管道通信是不可靠的，如果读端或者写端被关闭，另一端可能会收到错误的信号或者返回值。
改进管道通信性能和效率的方法有以下几点：
- 使用双向管道，可以实现两个进程之间的双向通信，而不需要创建两个单向管道。双向管道可以通过 socketpair 系统调用来创建，返回两个文件描述符，分别表示管道的两端。
- 使用非阻塞模式，可以避免进程在读写管道时被阻塞，提高并发性能。非阻塞模式可以通过 fcntl 系统调用来设置文件描述符的 O_NONBLOCK 标志。
- 使用自定义协议，可以根据通信的需求和场景，设计合适的数据格式和交互方式，提高数据传输的效率和可靠性。自定义协议可以包括数据包的长度、类型、校验码等信息。
- 调整管道缓冲区的大小，可以根据数据量的大小和频率，选择合适的缓冲区大小，避免缓冲区溢出或者空闲浪费。管道缓冲区的大小可以通过 fcntl 系统调用来设置 F_SETPIPE_SZ 标志，并且可以通过 /proc/sys/fs/pipe-max-size 来修改最大容量。
????结束语
今天内容就到这里啦，时间过得很快，大家沉下心来好好学习，会有一定的收获的，大家多多坚持，嘻嘻，成功路上注定孤独，因为坚持的人不多。那请大家举起自己的小手给博主一键三连，有你们的支持是我最大的动力????????????，回见。
