进程间通信之匿名管道和命名管道的理解和实现【Linux】

进程间通信

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。

进程间通信的本质理解

• 进程间通信的前提，首先需要让不同的进程都能够看到同一块“内存”。
• 这个“内存”不能隶属于任何进程应该强调共享。

进程间通信的必要性
??单进程无法使用并发能力，更加无法实现多进程协同。

什么是管道

管道是进程通信的其中一种，管道分为两种：

• 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”。
• 管道只能单向通信。

??父进程fork之后，父进程会copy一份files_struct给子进程，但是父子进程的文件描述符依旧是指向同一份文件，而这个文件就叫做管道。
??管道某种意义上来说不是文件，是一种方式，进行交流的数据作为临时数据放在内存，实际上是由内核维护的一个缓冲区，在内核中被称为管道缓存，当交流结束后，临时数据就会被释放。所以也可以把管道看作是一个缓冲区。

匿名管道

#include <unistd.h>
功能:创建一无名管道
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，失败返回错误代码

管道的实现

1. 分别以读写的方式打开同一个文件。

2. fork创建子进程。

3. 双方进程各自关闭自己不需要的文件描述符（为了实现单向通信，但是如果想实现全双工通信，可以创建多个管道来实现）。

如何做到让不同的进程看到同一份资源？
：fork后让子进程继承—>能够让具有血缘关系的进程进行进程间通信—>常用于父子进程

代码实现

下面这是一个简易的匿名管道的实现，当使用pipe函数时，管道文件是通过 pipe 系统调用创建的。具体来说，pipe 系统调用会在内核中创建一个管道，并返回两个文件描述符，这两个文件描述符分别用于读取和写入管道。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <cstdlib>
int main()
{

    int fd[2];

    int retpp = pipe(fd);
    if (retpp == -1)
    {
        perror("pipe");
        exit(1);
    }

    int fk = fork();
    if (fk < 0)
    {
        perror("fork");
        exit(2);
    }

    
    if (fk == 0)
    {
        // child: 作读端，首先得关闭写端
        close(fd[1]);
        char buf[1024];
        read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        printf("child: %s\n", buf);
    }
    if (fk > 0)
    {
        // parent：作写端，首先得关闭读端
        close(fd[0]);
        char *bufp = "qwweereewrrere";
        write(fd[1], bufp, strlen(bufp));
        return 0;
    }
}

可不可以改变管道文件呢？
下面的代码将文件t.txt作为管道文件。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{

    int fd[2];

    int retpp = pipe(fd);
    if (retpp == -1)
    {
        perror("pipe");
        exit(1);
    }

    int fk = fork();
    if (fk < 0)
    {
        perror("fork");
        exit(2);
    }
    int fd1 = open("F:\\t.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    if (fd1 < 0)
    {
        perror("open");
        exit(3);
    }
    if (fk == 0)
    {
        // child: 作读端，首先得关闭写端
        close(fd[1]);
        char buf[1024];
        dup2(fd[0], fd1);
        read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        printf("%s\n", buf);
    }
    if (fk > 0)
    {
        // parent：作写端，首先得关闭读端
        close(fd[0]);
        const char *bufp = "qwweereewrrere";
        dup2(fd[1], fd1);
        write(fd[1], bufp, strlen(bufp));
        return 0;
    }
}

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

管道的读写规则

• 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。

管道提供了访问控制

• 写端快，读端慢， 写端满了就不能再写了。
• 写端慢，读端快， 管道没有数据时，读端必须等待。
• 写端关闭，读端没有数据可读，标识读到了文件结尾。
• 读端关闭，写端继续写，OS终止写端进程。

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；需要双方通信时，需要建立起两个管道
  

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);

比如我们可以这么创建命名管道：

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，它们具有相同的语义。

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

代码实现

??下面的代码实现了客户端向命名管道中写入信息，服务端从命名管道中将数据读取出来并打印在终端屏幕上。

// server.cpp

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

int main()
{
    srand((unsigned int)time(NULL));
    if (mkfifo("shard", 0666) < 0)
    {
        perror("mkfifo");
        exit(1);
    }

    int sfd = open("shard", O_WRONLY, 0666);
    if (sfd < 0)
    {
        perror("server_open");
        exit(2);
    }

    while (1)
    {
        int a = rand() % 1000;
        char server_put[1024] = {'\0'};
        sprintf(server_put, "%d", a);

        printf("server: %s\n", server_put);

        write(sfd, server_put, sizeof(server_put));
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

// client

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

int main()
{
    srand((unsigned int)time(NULL));
    int cfd = open("shard", O_RDONLY, 0666);
    if (cfd < 0)
    {
        perror("client_open");
        exit(2);
    }

    while (1)
    {
        char client_in[1024];
        read(cfd, client_in, sizeof(client_in));
        printf("client: %s\n", client_in);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

// makefile

.PHANY:all
all: server client

server:server.cpp 
	g++ -o $@ $^ 

client:client.cpp 
	g++ -o $@ $^

.PHANY:clean
clean:
	rm -f client server shard

---

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