进程间通信——管道

2021-08-09 19:12:55

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进程间通信介绍
管道

进程间通信介绍

进程间通信目的

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。

进程间通信发展

管道

System V进程间通信

POSIX进程间通信

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

要让两个不同的进程实现通信，前提是让这两个进程看到同一份资源

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一个数据流称为一个“管道 ”

匿名管道

#include <unistd.h>
功能:创建一个无名管道
函数原型
int pipe(int fd[2]);
参数
fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值:成功返回0，失败返回-1

实例代码

//例子：从键盘读取数据，写入管道，读取管道，写到屏幕
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main( void )
{
    int fds[2];
    char buf[100];
    int len;
    
    if ( pipe(fds) == -1 )//创建匿名管道
    	perror("make pipe"),exit(1);
    
    // read from stdin
    while ( fgets(buf, 100, stdin) ) //循环向buf中写数据
    {
        len = strlen(buf);
        
        // write into pipe
        //先写再判断
        if (write(fds[1], buf, len) != len) //当实际写入管道的字符个数不等于buf长度时，就写入错误
        {
            perror("write to pipe");
            break;
        }
        
        memset(buf, 0x00, sizeof(buf));//将buf的内容置为0
        
        // read from pipe
        if ( (len=read(fds[0], buf, 100)) == -1 ) //先读再判断
        {
            perror("read from pipe");
            break;
        }
        
        // write to stdout
        if ( write(1, buf, len) != len ) //先写再判断
        {
            perror("write to stdout");
            break;
        }
        
    }
}

用fork来共享管道原理

站在文件描述符角度-深度理解管道

因为我们最开始的进程打开了标准输入、标准输出、标准错误三个文件，所以之后所有的进程都默认打开这三个文件

为什么文件不会各自私有？因为文件是不属于进程的

站在内核角度-管道本质

f_op就是我们之前说的函数指针。

图是简化理解的，inode指针并不在struct file中

所以，看待管道，就如同看待文件一样！管道的使用和文件一致，迎合了“Linux一切皆文件思想” 。

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#define ERR_EXIT(m) \ do \ { \ perror(m); \ exit(EXIT_FAILURE); \ } while(0)
int main(int argc, char *argv[])
{ 	
    int pipefd[2]; 
    if (pipe(pipefd) == -1) 
        ERR_EXIT("pipe error");
    
    pid_t pid;
	pid = fork();
    if (pid == -1)
    	ERR_EXIT("fork error");
    
    if (pid == 0) //子进程
    {
        close(pipefd[0]);//关闭读端
        
        //向管道写入
        write(pipefd[1], "hello", 5);
        //关闭写端，减少文件描述符的占用
        close(pipefd[1]);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    
    //父进程关闭写端
    close(pipefd[1]);
    
    char buf[10] = {0};
    //从管道中读数据
    read(pipefd[0], buf, 10);
    printf("buf=%s\n", buf);
    
    return 0;
}

管道读写规则

如果写端不关闭文件描述符，也不写入，读端可能会阻塞很长时间(可能管道中一开始就有数据，不会立马就阻塞)

示例：

#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<string.h>


int main()
{
  int pi[2] = {0};
  if (pipe(pi) < 0)//创建匿名管道失败
  {
    perror("pipe");
    return 1;
  }
  
  int pid = fork();
  if (pid < 0)
  {
    perror("fork");
    return 1;
  }
  
  //让子进程写，父进程读  
  if (pid == 0)//子进程
  {
    //怕失误使用了另一个接口，所以关闭子进程的读
    close(pi[0]);

    const char* buf = "I am a child!\n";

    while (1)
    {
      write(pi[1], buf, strlen(buf));
      sleep(3);//子进程每隔3s才写入
    
    }
  }
  else//父进程，只读 
  {
    close(pi[1]);
    char buf[64];
    while (1)
    {
      ssize_t s = read(pi[0], buf, sizeof(buf) - 1);
      
      if (s > 0)
      {
        buf[s] = 0;
      }

      printf("father get info from pipe:%s\n", buf);
    
    } 
  }

  return 0;
}

因为子进程每隔3s才写入管道，而父进程则是无间断地读取管道数据，所以相对来说父进程会阻塞一段时间：

进程间通信——管道

所以，如果我们关闭了子进程的文件描述符，父进程就会一直在等待，也就是陷入长时间的阻塞。

当我们写入时，如果写入条件不满足(管道满了，读端读取速度太慢)，写入端就会阻塞

#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<string.h>


int main()
{
  int pi[2] = {0};
  if (pipe(pi) < 0)//创建匿名管道失败
  {
    perror("pipe");
    return 1;
  }
  
  int pid = fork();
  if (pid < 0)
  {
    perror("fork");
    return 1;
  }
  
  //让子进程写，父进程读  
  if (pid == 0)//子进程
  {
    //怕失误使用了另一个接口，所以关闭子进程的读
    close(pi[0]);

    const char* buf = "I am a child!\n";
    
    int count = 0;
    while (1)
    {
      
      write(pi[1], buf, strlen(buf));
      printf("CHILD:%d\n", count++);
    }
  }
  else//父进程，只读 
  {
    close(pi[1]);
    char buf[64];
    while (1)
    {
      ssize_t s = read(pi[0], buf, sizeof(buf) - 1);
      sleep(1);//父进程每隔1s读一次

      if (s > 0)
      {
        buf[s] = 0;
      }
        
      printf("father get info from pipe:%s\n", buf);
    
    } 
  }

  return 0;
}

可以看到，子进程一开始就在猛地写入，而父进程每隔1s才读一次数据，并且从父进程开始读数据，子进程就没有再写入了，是因为管道满了，写入条件不满足，无法完成写入。

进程间通信——管道

如果写端关闭文件描述符，读端在读取管道时会读到0，也就是read函数返回0

#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<string.h>


int main()
{
  int pi[2] = {0};
  if (pipe(pi) < 0)//创建匿名管道失败
  {
    perror("pipe");
    return 1;
  }
  
  int pid = fork();
  if (pid < 0)
  {
    perror("fork");
    return 1;
  }
  
  //让子进程写，父进程读  
  if (pid == 0)//子进程
  {
    //怕失误使用了另一个接口，所以关闭子进程的读
    close(pi[0]);

    const char* buf = "I am a child!\n";
    
    int count = 0;
    while (1)
    {
      if (count == 5)//子进程只写入5次
        close(pi[1]);

      write(pi[1], buf, strlen(buf));
      ++count;
    }
  }
  else//父进程，只读 
  {
    close(pi[1]);
    char buf[64];
    while (1)
    {
      ssize_t s = read(pi[0], buf, sizeof(buf) - 1);
      sleep(1);//父进程休眠1s再读取

      if (s > 0)
      {
        buf[s] = 0;
        
      	printf("father get info from pipe:%s\n", buf);
      }
      printf("father exit return : %d\n", s);
    } 

  }

  return 0;
}

子进程无休眠地只写入5次，而父进程休眠1s读取一次，当子进程停止写入后，父进程从管道中读取的数据就为0了。

进程间通信——管道

如果读端关闭，写端进程可能直接被杀掉

#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdilb.h>

int main()
{
  int pi[2] = {0};
  if (pipe(pi) < 0)//创建匿名管道失败
  {
    perror("pipe");
    return 1;
  }
  
  int pid = fork();
  if (pid < 0)
  {
    perror("fork");
    return 1;
  }
  
  //让子进程写，父进程读  
  if (pid == 0)//子进程
  {
    //怕失误使用了另一个接口，所以关闭子进程的读
    close(pi[0]);

    const char* buf = "I am a child!\n";
    
    int count = 0;
    while (1)
    {
		
      write(pi[1], buf, strlen(buf));
    	printf("CHILD:%d\n", count++);
    }

    exit(2);
  }
  else//父进程，只读 
  {
    close(pi[1]);
    char buf[64];
    int count = 0;
    while (1)
    {
      if (5 == count++)
      {   
          close(pi[0]);
      	  break;
      }
      ssize_t s = read(pi[0], buf, sizeof(buf) - 1);
      sleep(1);

      if (s > 0)
      {
        buf[s] = 0;
      	printf("father get info from pipe:%s\n", buf);
      }

    } 

  }

  return 0;
}

初步观察：

我们看到在父进程读取5次后，父子进程都结束了，子进程也没有继续打印了，而是退出了。

我们不让父进程结束，再来用脚本来观察父子进程的状态：

shell脚本：

   while :; do ps axj |grep mypipe | grep -v grep; echo "######################################"; sleep 1; done

效果：

可以看到实际上子进程是处于僵尸状态了，也就是退出了。

实际上，它是被操作系统杀掉了，因为管道里面已经没人读数据了，而子进程还往管道里面写数据是在浪费资源，操作系统不允许这种行为发生，于是，就杀掉了子进程。

既然子进程是被杀掉的，就需要用父进程回收，并且获取它的信号

修改一下代码，让父进程等待，并且获取信号：

可以看到子进程的退出信号是13

我们使用kill -l查看一下kill的13号命令：

顾名思义，该信号是用来杀死管道相关的进程的。

修改代码：

   #include<stdio.h>
   #include <unistd.h>
   #include<string.h>
   #include<stdlib.h>
   #include<sys/wait.h>
   
   int main()
   {
     int pi[2] = {0};
     if (pipe(pi) < 0)//创建匿名管道失败
     {
       perror("pipe");
       return 1;
     }
     
     int pid = fork();
     if (pid < 0)
     {
       perror("fork");
       return 1;
     }
     
     //让子进程写，父进程读  
     if (pid == 0)//子进程
     {
       //怕失误使用了另一个接口，所以关闭子进程的读
       close(pi[0]);
   
       const char* buf = "I am a child!\n";
       
       int count = 0;
       while (1)
       {
   
         write(pi[1], buf, strlen(buf));
         printf("CHILD:%d\n", count++);
       }
   
       exit(2);
     }
     else//父进程，只读 
     {
       close(pi[1]);
       char buf[64];
       int count = 0;
       while (1)
       {
         if (5 == count++)
         { 
           close(pi[0]);
           break;
         }
         
         ssize_t s = read(pi[0], buf, sizeof(buf) - 1);
         sleep(1);
   
         if (s > 0)
         {
           buf[s] = 0;
           printf("father get info from pipe:%s\n", buf);
       
         }
         
       } 
   
         //父进程获取子进程的退出信号
         int status = 0;
         waitpid(pid, &status, 0);
         printf("child exited, father gets the signal:%d\n", status & 0x7f);
     }
   
     return 0;
   }

命令行中的 `|` 管道中，进程间是兄弟关系

我们使用sleep 2000 | sleep 1000命令运行，再复制一个会话查看它们的进程pid信息：

当没有数据可读时

O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。

O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。

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：调用返回-1，errno值为EAGAIN

如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0

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

当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。

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。

管道特点

只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信；通常，一个管道由一个进程创
建，然后该进程调用fork，此后父、子进程之间就可应用该管道。

管道提供流式服务

一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程

一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥

管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；双方通信时，需要建立起两个管道

匿名管道的进程间是兄弟关系

命名管道

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。

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

创建一个命名管道

命名管道可以从命令行上创建，命令行方法是使用下面这个命令：
$ mkfifo filename
命名管道也可以从程序里创建，相关函数有 :
int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);
//filename就是管道名
创建命名管道:
int main(int argc, char *argv[])
{
    mkfifo("p2", 0644);
    return 0;
}

匿名管道与命名管道的区别

匿名管道由pipe函数创建并打开。

命名管道由mkfifo函数创建，打开用open

FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完
成之后，它们具有相同的意义

命名管道的打开规则

如果当前打开操作是为读而打开FIFO时

O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO

O_NONBLOCK enable：立刻返回成功

如果当前打开操作是为写而打开FIFO时

O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO

O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO

用命名管道实现server&client通信

makefile

# ll
total 12
-rw-rw-r-- 1 ysj ysj 568 Oct  6 01:18 client.c
-rw-rw-r-- 1 ysj ysj 138 Oct  6 01:07 makefile
-rw-rw-r-- 1 ysj ysj 662 Oct  6 01:15 server.c

# cat Makefile
.PHONY:all
all:server client 

server:server.c
	gcc $^ -o $@
client:client.c
	gcc $^ -o $@

.PHONY:clean
clean:
	rm -f server client fifo

server.c

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include<unistd.h>

#define FIFE_FIFO "fifo"

int main()
{
  umask(0);
  mkfifo(FIFE_FIFO, 0666);
  
  int rfd = open(FIFE_FIFO, O_RDONLY);
  if (rfd < 0)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  
  char buf[64];

  while (1)
  {
    buf[0] = 0;
    printf("p")
    ssize_t s = read(rfd, buf, sizeof(buf) - 1);
    if (s > 0)
    {
        buf[s - 1]= 0;
        printf("client say:# %s\n", buf);
        
    }
    else if(s == 0) 
    {
      printf("exit,too\n");
      break; 
    }
    else {
      perror("read");
      return 1;
    }
    
  }

  close(rfd);
  return 0;
}

client.c

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#define FIFE_FIFO "fifo"

int main()
{
  
  int wfd = open(FIFE_FIFO, O_WRONLY);
  if (wfd < 0)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  
  char buf[64];

  while (1)
  {
    printf("Please Enter:# ");
    fflush(stdout);
      
    ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
    if (s > 0)
    {
      buf[s]= 0;
      write(wfd, buf, strlen(buf));
    }
    else 
    {
      printf("exit\n");
      break; 
    }
    
  }

  close(wfd);
  return 0;
}

结果:

为什么一开始没有打印please wait…呢？
因为在server中，open的时候读端没有打开，就被阻塞在了open处，等到client开始运行，写端打开，所以server结束阻塞，开始运行，才打印了please wait…

servet和client没有关系，所以命名管道与匿名管道在这一点上不同：

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进程间通信分类

管道

什么是管道

匿名管道

实例代码

用fork来共享管道原理

站在文件描述符角度-深度理解管道

站在内核角度-管道本质

管道读写规则

命令行中的 | 管道中，进程间是兄弟关系

管道特点

命名管道

创建一个命名管道

匿名管道与命名管道的区别

命名管道的打开规则

用命名管道实现server&client通信

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命令行中的 `|` 管道中，进程间是兄弟关系