一、进程通信的介绍

1.1进程间为什么需要通信

进程之间需要协同。 例如，学校里面的各个管理层之间都是互相联系的，不能只是纵向管理。正是因为进程之间需要协同，协同的前提条件是进程之间需要通信，数据是有类别的，有的数据是通知就绪的，有些数据是单纯所传递数据，有的是控制相关的数据。

事实：进程是具有独立性的，进程=内核数据结构+进程的代码和数据

进程通信的目的：

• 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。

1.2进程如何通信

进程之间的通信，成本可能稍微高一些：进程是具有独立性的，任何一个进程开辟的资源，另一个进程是看不到的。之前在聊父子进程的时候，父进程的数据被子进程继承下去，这不属于通信，能继承但是不是一直继承，能传递信息和一直能传递信息是不一样的。

进程间的通信的前提：先让不同的进程看到同一份（操作系统）资源（“一段内存”）。两个进程之间是独立的，要实现通信，需要一个工具，即操作系统，使得两个进程之间有一片相同的内存。操作系统这样做的原因是用户决定的。
如何让操作系统创建资源：

1. 一定是，某一个进程先需要通信，让OS创建一个共享资源
2. OS必须提供很多的系统调用，让进程以系统调用的方式申请系统的资源
   OS创建的共享资源的不同、系统调用接口的不同决定进程间通信会有不同的种类。

二、管道

2.1匿名管道

2.1.1文件描述符理解管道

管道本质上是一种内存级文件，它不用往磁盘上进行刷新
首先父进程以读写方式分两次打开一个文件，分两次的原因是为了获得两个 struct file 对象，这样对一个文件就有两个读写指针，让读写操作使用各自独立的指针，这样读写之间就不会相互影响。读写指针记录了当前文件读取或写入的位置，一个 struct file 中只有一个读写指针，在向文件写入（或读取）的时候，读写指针会发生移动，然后再去读取（写入），此时读写指针已经不再最初的位置，无法将刚写入的内容读取上来，因此这里需要分两次以不同的方式打开同一个文件。接着创建子进程，子进程会继承父进程中打开的文件，也就是继承父进程的文件描述符表，此时父子进程就会共享同一个文件资源，子进程可以通过4号文件描述符向文件中进行写入，父进程就可以通过3号文件描述符从文件中进程读取，此时父子进程就实现了数据传输，也就是通信。父子进程看到同一段内存缓冲区，这里我们称之为管道文件。管道只允许单向通信，因为简单。

为什么父子进程会向同一个显示器终端打印数据？
因为对应的子进程会继承父进程对应的文件描述符表，进而会指向同一个文件，也就意味着父进程往一个文件里面打，子进程也会往一个文件里面打，都会写到同样的一个缓冲区里，操作系统就会刷新到同一个显示器。

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进程会默认打开三个标准输入标准输出：0,1，2…如何默认打开0,1，2？
所有的，命令都是bash的子进程，只要bash打开了，默认的子进程就都打开了。

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为什么子进程主动clos(0/1/2)，不影响父进程继续使用显示器文件？
内存级引用计数会--，当内存级引用计数减到0，就释放文件资源。

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父子进程关闭不需要的文件描述符，为什么之前需要打开？
为了让子进程继承下去。可以不关闭，建议关了，防止万一误写了。

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为什么管道是单向通信的？
方式简单，减少开发成本，只让它进行单向通信，任何一个文件刷新到缓冲区里，再把数据刷新到文件里，这个过程本身就是单向的。
生活中我们见到的简单管道都是单向的，比如自来水管道，一个入口一个出口，符合管道的特点。

2.1.2接口使用

可以使用pipe来创建一个无名管道，参数不需要文件路径和文件名

int pipe(int pipefd[2]);

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

测试管道接口：

#include<iostream>
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<unistd.h>int main()
{int pipefd[2];      // 用于存储管道的两个文件描述符int n=pipe(pipefd);    // 创建管道，返回值为0表示成功，-1表示失败if(n!=0)           //如果 pipe() 函数返回值不为0，表示管道创建失败{std::cerr<<"errno: "<<errno<<": "<<"errstring: "<<strerror(errno)<<std::endl;return 1;}std::cout<<"pipefd[0]"<<",pipefd[1]: "<<pipefd[1]<<std::endl;//如果管道创建成功，使用 std::cout 打印管道的两个文件描述符 pipefd[0] 和 pipefd[1] 的值return 0;
}

上述代码的主要作用是演示如何在C++中使用 pipe() 函数创建管道，并进行简单的错误处理和输出操作。

pipefd[0]->0->管道文件R（读）端、pipefd[1]->1->管道文件W（写）端

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上面我们创建好管道，接下来创建子进程

让子进程能和父进程进行通信：

#include<iostream>
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<string>const int size=1024;std::string getOtherMessage()
{static int cnt=0;std::string messageid=std::to_string(cnt);cnt++;pid_t self_id=getpid();std::string stringpid=std::to_string(self_id);std::string message="messageid: ";message+=messageid;message+="my pid is: ";message+=stringpid;return message;
}//子进程进行写入
void subProcessWrite(int wfd)
{std::string message="father,I am your son process!";while(true){std::string info=message+getOtherMessage();  //子进程发送给父进程的消息write(wfd,info.c_str(),info.size()); //写入管道没有写入\0，没有必要写进去sleep(1);}
}//父进程进行读取
void fatherProcessRead(int rfd)
{char inbuffer[size];while(true){ssize_t n=read(rfd,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1);if(n>0){inbuffer[n]=0;  //==\0std::cout<<"father get message: "<<inbuffer<<std::endl;}}
}int main()
{int pipefd[2];int n=pipe(pipefd);if(n!=0){std::cerr<<"errno: "<<errno<<": "<<"errstring: "<<strerror(errno)<<std::endl;return 1;}std::cout<<"pipefd[0]"<<",pipefd[1]: "<<pipefd[1]<<std::endl;sleep(1);//创建子进程pid_t id=fork();if(id==0){   std::cout<<"子进程关闭不需要的fd，准备发消息"<<std::endl;sleep(1);//子进程 write//关闭不需要的fdclose(pipefd[0]);subProcessWrite(pipefd[1]);close(pipefd[1]);exit(0);}std::cout<<"父进程关闭不需要的fd，准备收消息"<<std::endl;sleep(1);//父进程 read//关闭不需要的fdclose(pipefd[1]);fatherProcessRead(pipefd[0]);close(pipefd[0]);pid_t rid=waitpid(id,nullptr,0);if(rid>0){std::cout<<"wait child process done"<<std::endl;}return 0;
}

getOtherMessage()函数生成一个带有进程ID信息的消息字符串，用于子进程向父进程发送消息。
subProcessWrite(int wfd)函数用于子进程，它不断地生成消息并写入管道 (wfd) 中，每隔一秒发送一次消息
fatherProcessRead(int rfd)函数用于父进程，它不断地从管道 (rfd) 中读取消息并输出到控制台

子进程关闭不需要的管道读取端 (pipefd[0])，调用 subProcessWrite() 发送消息，然后关闭写入端 (pipefd[1])。
父进程关闭不需要的管道写入端 (pipefd[1])，调用 fatherProcessRead() 接收消息，然后关闭读取端 (pipefd[0])。

2.1.3管道的4种情况

1. 如果管道是空的，并且写端文件描述符没有关闭，读取条件不具备，读进程（父进程）会被阻塞，自动等待读取条件具备（写入进程再重新写入）。
   
   在sleep（1）时间内，管道内部没有数据，父进程就在阻塞等待。

2. 如果管道被写满了，读端不进行读写但是没有关闭，此时写进程会被阻塞（管道被写满，即写条件不具备），直到写条件具备（读取数据）。

3. 管道一直在读并且写端关闭了fd，读端会读到0，表示读到了文件结尾。

//子进程进行写入
void subProcessWrite(int wfd)
{std::string message="father,I am your son process!";int pipesize=0;char c='A';while(true){write(wfd,&c,1);std::cout << "pipesize: " << ++pipesize << " write charator is : "<< c++ << std::endl;if(c=='G') break;sleep(1);}std::cout<<"child quit..."<<std::endl;
}//父进程进行读取
void fatherProcessRead(int rfd)
{char inbuffer[size];while(true){ssize_t n=read(rfd,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1);if(n>0){inbuffer[n]=0;  //==\0std::cout<<"father get message: "<<inbuffer<<std::endl;}else if(n==0){// 如果read的返回值是0，表示写端直接关闭了，我们读到了文件的结尾std::cout << "client quit, father get return val: " << n << " father quit too!" << std::endl;break;}else if(n < 0){std::cerr << "read error" << std::endl;break;}}
}

4. 读端fd直接关闭，写端fd一直进行写入，这个管道称之为坏的管道，操作系统会杀掉对应的进程，属于异常情况，操作系统会给目标发送信号（13号：SIGPIPE）。写端进程会被操作系统直接使用13号信号关掉，相当于进程出现了异常。

2.1.4管道的五种特征

1. 匿名管道：只能用来进行具有血缘关系的进程之间通信（常用于父子进程），因为子进程是对父进程的写时拷贝，不能用于毫不相关的两个进程。
2. 管道内部自带进程之间同步机制，同步：多执行流执行代码的时候具有明显的顺序性。在上述代码中，子进程写一个，父进程读一个。
3. 文件的声明周期是随进程的
4. 管道文件在通信的时候，是面向字节流的。写的次数和读取的次数不是一一匹配的
5. 管道的通信模式是一种特殊的半双工
   

2.2管道的使用场景

2.2.1命令行中的管道

管道 | 在这里用于串联命令，实现对进程信息的过滤、筛选和显示，使得可以实时监视和管理特定的进程活动。

2.2.2进程池

当前有一个父进程（master），提前创建好几个子进程（子进程A、子进程B、子进程C、子进程D），每一个子进程还对应一个管道，用于和父进程进行通信。当父进程需要某一个子进程的时候，只需要将信息传入对应管道的写端，然后对应的子进程从管道读端读取数据。像这种提前创建好多个子进程，我们称之为进程池，这样可以大大减少创建进程的成本，只需要把任务交付给对应的子进程。

如果管道里面没有数据，当前对应的worker进程就在阻塞等待，直到任务的到来。

管道里一旦有数据，对应的子进程就被系统唤醒来处理任务。

对于父进程的任务，要进行后端任务划分的负载均衡。

代码实现：

对信道的一个一个管理转化成对vector的增删查改，将父进程的文件描述符为_wfd，写给对应的子程序为_subprocessid

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include "Task.hpp"// master
class Channel
{
public:Channel(int wfd, pid_t id, const std::string &name): _wfd(wfd), _subprocessid(id), _name(name){}int GetWfd() { return _wfd; }pid_t GetProcessId() { return _subprocessid; }std::string GetName() { return _name; }void CloseChannel(){close(_wfd);}void Wait(){pid_t rid = waitpid(_subprocessid, nullptr, 0);if (rid > 0){std::cout << "wait " << rid << " success" << std::endl;}}~Channel(){}private:int _wfd;pid_t _subprocessid;std::string _name;
};void CreateChannelAndSub(int num, std::vector<Channel> *channels, task_t task)
{// BUG? --> fix bugfor (int i = 0; i < num; i++){// 1. 创建管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);if (n < 0)exit(1);// 2. 创建子进程pid_t id = fork();if (id == 0){if (!channels->empty()){// 第二次之后，开始创建的管道for(auto &channel : *channels) channel.CloseChannel();}// child - readclose(pipefd[1]);dup2(pipefd[0], 0); // 将管道的读端，重定向到标准输入task();close(pipefd[0]);exit(0);}// 3.构建一个channel名称std::string channel_name = "Channel-" + std::to_string(i);// 父进程close(pipefd[0]);// a. 子进程的pid b. 父进程关心的管道的w端channels->push_back(Channel(pipefd[1], id, channel_name));}
}// 0 1 2 3 4 channelnum
int NextChannel(int channelnum)
{static int next = 0;int channel = next;next++;next %= channelnum;return channel;
}void SendTaskCommand(Channel &channel, int taskcommand)
{write(channel.GetWfd(), &taskcommand, sizeof(taskcommand));
}
void ctrlProcessOnce(std::vector<Channel> &channels)
{sleep(1);// a. 选择一个任务int taskcommand = SelectTask();// b. 选择一个信道和进程int channel_index = NextChannel(channels.size());// c. 发送任务SendTaskCommand(channels[channel_index], taskcommand);std::cout << std::endl;std::cout << "taskcommand: " << taskcommand << " channel: "<< channels[channel_index].GetName() << " sub process: " << channels[channel_index].GetProcessId() << std::endl;
}
void ctrlProcess(std::vector<Channel> &channels, int times = -1)
{if (times > 0){while (times--){ctrlProcessOnce(channels);}}else{while (true){ctrlProcessOnce(channels);}}
}void CleanUpChannel(std::vector<Channel> &channels)
{// int num = channels.size() -1;// while(num >= 0)// {//     channels[num].CloseChannel();//     channels[num--].Wait();// }for (auto &channel : channels){channel.CloseChannel();channel.Wait();}// // 注意// for (auto &channel : channels)// {//     channel.Wait();// }
}// ./processpool 5
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2){std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " processnum" << std::endl;return 1;}int num = std::stoi(argv[1]);LoadTask();std::vector<Channel> channels;// 1. 创建信道和子进程CreateChannelAndSub(num, &channels, work1);// 2. 通过channel控制子进程ctrlProcess(channels, 5);// 3. 回收管道和子进程. a. 关闭所有的写端 b. 回收子进程CleanUpChannel(channels);// sleep(100);return 0;
}

Task.hpp:

#pragma once#include <iostream>
#include <ctime>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>#define TaskNum 3typedef void (*task_t)(); // task_t 函数指针类型void Print()
{std::cout << "I am print task" << std::endl;
}
void DownLoad()
{std::cout << "I am a download task" << std::endl;
}
void Flush()
{std::cout << "I am a flush task" << std::endl;
}task_t tasks[TaskNum];void LoadTask()
{srand(time(nullptr) ^ getpid() ^ 17777);tasks[0] = Print;tasks[1] = DownLoad;tasks[2] = Flush;
}void ExcuteTask(int number)
{if (number < 0 || number > 2)return;tasks[number]();
}int SelectTask()
{return rand() % TaskNum;
}void work()
{while (true){int command = 0;int n = read(0, &command, sizeof(command));if (n == sizeof(int)){std::cout << "pid is : " << getpid() << " handler task" << std::endl;ExcuteTask(command);}else if (n == 0){std::cout << "sub process : " << getpid() << " quit" << std::endl;break;}}
}void work1()
{while (true){int command = 0;int n = read(0, &command, sizeof(command));if (n == sizeof(int)){std::cout << "pid is : " << getpid() << " handler task" << std::endl;ExcuteTask(command);}else if (n == 0){std::cout << "sub process : " << getpid() << " quit" << std::endl;break;}}
}void work2()
{while (true){int command = 0;int n = read(0, &command, sizeof(command));if (n == sizeof(int)){std::cout << "pid is : " << getpid() << " handler task" << std::endl;ExcuteTask(command);}else if (n == 0){std::cout << "sub process : " << getpid() << " quit" << std::endl;break;}}
}

2.命名管道

2.1.1原理

如何保证两个毫不相连的两个进程打开同一个文件？每一个文件都有文件路劲（唯一性路劲），两个进程使用同一个文件路劲。

磁盘中的文件是一个特殊文件，经过路劲标识，命名管道本质上就是系统中的一个内存级文件，它和匿名管道一样，不会向磁盘中刷新，但是它有文件名。路径+文件名，唯一标识了一个命名管道。

2.2.2接口

认识mkfifo：

创建一个管道：

mkfifo 文件名

2.2.3代码实例

namedPipe.hpp：

#pragma once#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cerrno>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>const std::string comm_path = "./myfifo";
#define DefaultFd -1
#define Creater 1
#define User 2
#define Read O_RDONLY
#define Write O_WRONLY
#define BaseSize 4096class NamePiped
{
private:bool OpenNamedPipe(int mode){_fd = open(_fifo_path.c_str(), mode);if (_fd < 0)return false;return true;}public:NamePiped(const std::string &path, int who): _fifo_path(path), _id(who), _fd(DefaultFd){if (_id == Creater){int res = mkfifo(_fifo_path.c_str(), 0666);if (res != 0){perror("mkfifo");}std::cout << "creater create named pipe" << std::endl;}}bool OpenForRead(){return OpenNamedPipe(Read);}bool OpenForWrite(){return OpenNamedPipe(Write);}// const &: const std::string &XXX// *      : std::string *// &      : std::string & int ReadNamedPipe(std::string *out){char buffer[BaseSize];int n = read(_fd, buffer, sizeof(buffer));if(n > 0){buffer[n] = 0;*out = buffer;}return n;}int WriteNamedPipe(const std::string &in){return write(_fd, in.c_str(), in.size());}~NamePiped(){if (_id == Creater){int res = unlink(_fifo_path.c_str());if (res != 0){perror("unlink");}std::cout << "creater free named pipe" << std::endl;}if(_fd != DefaultFd) close(_fd);}private:const std::string _fifo_path;int _id;int _fd;
};

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client.cc：

#include "namedPipe.hpp"// write
int main()
{NamePiped fifo(comm_path, User);if (fifo.OpenForWrite()){std::cout << "client open namd pipe done" << std::endl;while (true){std::cout << "Please Enter> ";std::string message;std::getline(std::cin, message);fifo.WriteNamedPipe(message);}}return 0;
}

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server.cc：

#include "namedPipe.hpp"// server read: 管理命名管道的整个生命周期
int main()
{NamePiped fifo(comm_path, Creater);// 对于读端而言,如果我们打开文件，但是写还没来，我会阻塞在open调用中，直到对方打开// 进程同步if (fifo.OpenForRead()){std::cout << "server open named pipe done" << std::endl;sleep(3);while (true){std::string message;int n = fifo.ReadNamedPipe(&message);if (n > 0){std::cout << "Client Say> " << message << std::endl;}else if(n == 0){std::cout << "Client quit, Server Too!" << std::endl;break;}else{std::cout << "fifo.ReadNamedPipe Error" << std::endl;break;}}}return 0;
}

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运行结果：

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