IPC进程间通信探索——管道的原理与特点

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目录

Ⅰ. 进程间通信(IPC)

0x00 引入:为什么要进程间通信?

0x01 进程间通信发展

Ⅱ. 管道(PIPE)

0x00 引入:何为管道?

0x01 匿名管道(Anonymous Pipe) 

0x02 管道通信的原理

0x03 管道通信的特点

0x04 系统调用:pipe 接口


Ⅰ. 进程间通信(IPC)

0x00 引入:为什么要进程间通信?

IPC(Inter-Process Communication,进程间通信

​在讲解进程间通信之前,我想我们应当首当其冲地去了解下:为什么要进程间通信?

进程间通信,难道是吃饱了撑了吗?进程喜欢没事聊两句?当然不是!

我们在之前讲过 "进程之间是具有独立性" 的,如果进程间想交互数据,成本会非常高!

因为独立性之本质即 "封闭",进程们你封闭你的我封闭我的,那么进程间的交流可谓是窒碍难行。

进程间的通信说白了就是 "数据交互",我们需要多进程进行协同处理一件事情。(宏观概念)

​刚才说的是宏观上的概念,下面我们来看看具体的、为什么要进行通信:

  • 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:多个进程之间共享资源
  • 通知事件:一个进程需要向另一个或一组进程发送讯息,通知它 (它们) 发生了某种事件(比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阱和异常,并能够及时知道它的状态改变,属于 "闭环控制"。

因此不要以为,进程独立了就是彻底独立,有时我们需要双方能够进行一定程序的信息交互。

0x01 进程间通信发展

​System V IPC 现在用的已经非常少了,更多的用于本地通信。

这已经是历史产物了,只讲共享内存共享内存什么的我们就不讲了,

因为现在大家都乐于谈论分布式,跨主机的东西了。

Ⅱ. 管道(PIPE)

0x00 引入:何为管道?

​ 鼠鼠我啊整天生活在下水道捏,在管道里阴暗地爬行,对管道可是非常熟悉的捏!

何为管道?管道是 \textrm{Unix} 系统中最古老的 IPC 形式,

将一个进程连接到另一个进程的数据流称为管道 (Pipe)。

​在 \textrm{Linux} 中,管道分为 匿名管道命名管道

下面我们先来讲解 匿名管道 (Anonymous Pipe) !

0x01 匿名管道(Anonymous Pipe) 

匿名管道是计算机进程间的一种 单工 先进先出通信机制,全双工通信 通常需要两个匿名管道。

💭 举个例子:假设内存中有两个独立的进程 A 和 B,我们想让 AB 之间进行进程间通信。

* 令 A 先把数据拷贝到磁盘上,再让 B 去读取该数据,如下图所示:

​我们可以通过这个例子明白一个道理:通信之前,要让不同的进程看到同一份资源。 

现阶段我们要学的进程间通信,不是如何通信,而是先去关注它们是如何看到同一份资源的。

那么在进程通信之前,如何做到让进程 "先看到同一份资源" 呢?

 资源的不同,决定了不同种类的通信方式! 而管道,就是提供共享资源的一种手段。

我们知道,文件在内存和磁盘之间来回切换是非常耗时的,因此进程间通信大多都是内存级别的。

​ 即在内存内部重建一块 "小区域" 进行通信,示意图如下:

对我们来说,我们 echo 一个 hello,写到文件中,实际上这就算通信了:

​但是我们要讨论的不是这种通信!我们讨论的是内存级的通信!

0x02 管道通信的原理

我们在前几章中学了文件描述符 (fd) 的知识点,我们将其系统中存在的匿名管道相结合:

首先,一个进程维护自己进程对应的文件描述符表 file_struct,而 file_struct 中有对应的数组。

​数字里存的是 struct file* fd_array[],这里面存的就是打开文件的文件指针。

其中 0,1,2 被默认占用,这个在之前我们也做过讲解,对应 stdin, stdout, stdin,这里不再赘述。

如果我们今天打开一个文件,OS 为了管理文件,需要将磁盘中的文件的属性信息加载到内存里。

​对该文件形成 struct file,包含了文件的所有属性,对应了文件的:

  • ① 操作方法 
  • ② file 自己内部的缓冲区

如果我们让该进程 fork 创建一个子进程,

在做拷贝时是不需要将 struct file 本身给子进程拷贝一份的。

创建子进程 task_struct file_struct 是需要被拷贝的,但是 struct file 是不需要的。

"创建进程,和我文件有什么关系?"

这也就是为什么我们创建 fork 子进程之后,让父子打印时,都会像同一个显示器打印的原因。

🔺 结论:struct file 一定能找到对应缓冲区的操作方法和 file 自己内部缓冲区。

0x03 管道通信的特点

我们来看看现实生活中的管道,管道大部分都是单向的,所有的管道都是为了传输资源的。

  • 现实中的管道:传输天然气和石油
  • 计算机中的管道:传输数据

在计算机通信领域的管道,如果文件不再是磁盘文件,通过特定的接口表征自己的身份。

自己读写数据时就在文件对应的内存缓冲区里完成数据交互,我们称该文件为 管道 (pipe) 。

Linux 下一切皆文件,因此管道也是文件,管道的底层就是基于 struct file 的。

进程间通信管道是单向的,传输数据的。单向的原因是因为管道的通信特点就是单向的。

❓ Q & A:

① 为什么父进程要分别打开读和写?因为为了让子进程继承,让子进程不用再打开了。
③ 为什么父子要关闭对应的读写?因为管道必须是单向通信的,这是操作系统决定的。
③ 谁决定,父子关闭什么读写?因为不是由管道本身决定的,是由你的需求决定的。

所以对我们来说,管道的建立就一定会出现打开两次文件,然后父子进程还要关闭 fd。

关闭我们 close 就行,但是打开还要我们 open 两次是不是未免太过于麻烦?不用担心!有 pipe!

0x04 系统调用:pipe 接口

Linux 给我们提供了 pipe 接口,只需调一下 pipe 就会在底层自动把文件以读和写的方式打开。

​ 你会得到两个 fd,并且会被写进 pipefd[2] 数组中:

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);   // 数组中分别存储第一次 O_RDONLY 和 O_WRONLY

你可以理解为:pipe 内部封装了 open,并且它 open 了两次:

  • 第一次 open:以 O_RDONLY 读的方式打开
  • 第二次 open:以 O_WRONLY 写的方式打开

最后,把读写 fd 分别放在 pipefd 数组的 0 下标和 1 下标中,这就帮你创建了一个共享文件。

并且别忘了 pipe 可是系统调用,创建文件时就在内核中将文件类型初始化 i_pipe

让它指向的是一个管道文件,指向管道信息,也就不用和磁盘产生关联了。

当父进程没有写入的时候,子进程在等,所以父进程写入之后,

子进程才能 read(会返回)到数据,子进程打印读取数据要以父进程的节奏为主。

❓ 思考:父进程和子进程读写的时候(向显示器写入也是文件),是有一定顺序性的。父子进程各自 printf 的时候,会有顺序吗?

💡 答案是不会。管道内部没有数据,reader 就必须阻塞等待(read),管道内部如果数据被写满,此时 writer 就必须阻塞等待(write),等管道有数据。

完全乱序的地方就是缺乏访问控制,管道内部自带访问控制机制。

我们可以使用 CreatePipe 来创建匿名管道,并使用 ReadFile 与 WriteFile 函数来对管道进行读写操作,其读写操作总是阻塞式的。

新建进程可继承管道句柄,读管道时收到一个:意味着管道的写端句柄已经关闭。

📌 [ 笔者 ]   王亦优
📃 [ 更新 ]   2022.8.2
❌ [ 勘误 ]   /* 暂无 */
📜 [ 声明 ]   由于作者水平有限,本文有错误和不准确之处在所难免,本人也很想知道这些错误,恳望读者批评指正!

📜 参考资料 

C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/.

Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .

百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.

比特科技. Linux[EB/OL]. 2021[2021.8.31 

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