LinuxC编程——进程间通信（一）(管道)

目录

  • 一、Linux平台通信方式发展史
  • 二、进程间通信方式⭐⭐⭐
  • 三、无名管道
    • 3.1 特点⭐⭐⭐
    • 3.2 函数pipe
    • 3.3 注意事项⭐⭐⭐
    • 3.4 练习
  • 四、有名管道
    • 4.1 特点⭐⭐⭐
    • 4.2 函数 mkfifo
    • 4.3 注意事项⭐⭐
    • 4.4 练习
  • 五、无名管道与有名管道对比⭐⭐

复杂的编程环境通常使用多个相关的进程来执行有关操作。进程之间必须进行通信，来共享资源和信息。因此，要求内核提供必要的机制，这些机制通常称为进程间通信（InterProcess Communication, IPC）。

一、Linux平台通信方式发展史

  1. 早期通信方式：早期的Unix IPC包括管道、FIFO和信号
  2. AT&T的贝尔实验室，对Unix早期的进程间通信进行了改进和扩充，形成了“system V IPC”,其通信进程主要局限在单个计算机内。
  3. BSD（加州大学伯克利分校的伯克利软件发布中心），跳过了只能在同一计算机通信的限制，形成了基于套接字（socket）的进程间通信机制。

二、进程间通信方式⭐⭐⭐

  1. 早期通信：无名管道（pipe），有名管道（fifo）、信号（sem）
  2. system V IPC：共享内存(share memory) 、信号灯集（semaphore）、消息队列（message queue）
  3. BSD：套接字（socket）

三、无名管道

3.1 特点⭐⭐⭐

  1. 只能用于具有亲缘关系的进程间进行通信
  2. 半双工通信，具有固定的读端与写端
    （单工：只能单方面传输信息->广播
    半双工：可以双向，但是同一时间只能一个方向传输信息
    全双工：可以双向同时传输信息）
  3. 无名管道可以看作一种特殊的文件，对它的读写采用文件IO：read、write
  4. 管道是基于文件描述符通信方式。当一个无名管道创建会自动创建两个文件描述符，分别的fd[0]、fd[1]，其中fd[0]固定的读端，fd[1]固定的写端

3.2 函数pipe

int pipe(int fd[2])

  • 功能：创建无名管道
  • 参数：文件描述符（fd[0]：读端 fd[1]:写端）
  • 返回值：成功 0；失败 -1
    注📢：管道要用文件I/O进行操作（read,write,close）且管道创建后，fd[0]=3,fd[1]=4
    例：
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

3.3 注意事项⭐⭐⭐

  1. 当管道中无数据时，读操作会阻塞；管道中无数据，将写端关闭，读操作会立即返回
  2. 管道中装满（管道大小64K）数据写阻塞，一旦有4k空间，写继续，直到写满为止
  3. 只有在管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，会导致管道破裂，向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIGPIPE信号 (通常Broken pipe错误)。（GDB调试可以查看到）

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main(int argc, char const *argv[])
{int fd[2] = {0};if (pipe(fd) < 0){perror("pipe error");return -1;}printf("fd[0]:%d  fd[1]:%d\n", fd[0], fd[1]);char buf1[32] = {"hello world!"};char buf2[32] = {0};// write(fd[1],buf1,strlen(buf1)); //往管道写入buf1// ssize_t s = read(fd[0],buf2,32);  //从管道读取数据到buf2// printf("%s %d\n",buf2,s);// close(fd[0]);// close(fd[1]);
#if 0// 1.管道中无数据，读阻塞read(fd[0], buf2, 32);
#endif
#if 0// 2.将写端关闭，读操作会立即返回close(fd[1]);read(fd[0],buf2,32);
#endif
#if 1//3.1 当无名管道中写满数据64k，写阻塞char buf[65536] = {0};write(fd[1], buf, 65536);printf("full\n");write(fd[1], "a", 1);printf("write a ok\n");//至少读出4k的空间，才能继续写read(fd[0], buf, 4095);write(fd[1], 'a', 1);printf("write 'a' ok\n");
#endif
#if 1// 3.1 将读端关闭，继续写close(fd[0]);write(fd[1], "a", 1);printf("ok...\n");
#endif// close(fd[0]);// close(fd[1]);return 0;
}

第三种情况管道破裂，通过GDB调试查看到的结果如下：
在这里插入图片描述

3.4 练习

父子进程实现通信，父进程循环从终端输入数据，子进程循环打印数据，输入一次打印一次，当输入quit结束，使用无名管道

/*练习：父子进程实现通信，父进程循环从终端输入数据，子进程循环打印数据，当输入quit结束，使用无名管道
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main(int argc, char const *argv[])
{char buf[32] = {0};int fd[2] = {0};if(pipe(fd)<0) //创建无名管道{perror("pipe err");return -1;}pid_t pid = fork();if(pid < 0){perror("fork err");return -1;}else if(pid == 0){while (1) //子进程循环从管道读取数据，管道为空阻塞{read(fd[0],buf,32);if(strcmp(buf,"quit")==0)exit(0);printf("%s\n",buf);}  }else{while(1)//循环从终端输入数据,循环往管道写入数据{//scanf("%s",buf);fgets(buf,32,stdin);if(buf[strlen(buf)-1] == '\n')buf[strlen(buf)-1] = '\0';write(fd[1],buf,strlen(buf)+1);if(strcmp(buf,"quit")==0)exit(0);}wait(NULL);}close(fd[0]);close(fd[1]);return 0;
}

四、有名管道

4.1 特点⭐⭐⭐

  1. 可以用于两个不相关的进程之间通信
  2. 有名管道可以通过路径名指出，在文件系统中可见，但内容存放在内存里
  3. 通过文件IO操作
  4. 遵循先进先出，故不支持lseek操作
  5. 半双工通信

4.2 函数 mkfifo

int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);

  • 功能：创健有名管道
  • 参数：
    • filename：有名管道文件名
    • mode：权限
  • 返回值：成功：0；失败：-1，并设置errno号
    注意对错误的处理方式：📢📢
    如果错误是file exist时，注意加判断，如：if(errno == EEXIST)
    执行如下代码：
    在这里插入图片描述
    第一次运行：
    在这里插入图片描述
    再次运行：
    在这里插入图片描述
    处理方式：捕捉错误码，进行过滤即可👇
    在这里插入图片描述
  1. 由上面的有名管道特点的第二条可以知道，写入有名管道的内容并非存放在文件中，而是存在内存，也就是说有名管道文件的大小为0，下面进行验证：
    在这里插入图片描述
    在写后面加一个while死循环，运行后会等写完阻塞，不读出数据。然后在终端可以查看当前管道文件的大小，结果是大小为0👇
    在这里插入图片描述

4.3 注意事项⭐⭐

  1. 只写方式，写阻塞，直到另一个进程将读打开
  2. 只读方式，读阻塞，直到另一个进程将写打开
  3. 可读可写，管道中无数据，读阻塞。

验证1,2：
创建两个c文件，一个以只读方式打开有名管道，从中读数据；另一个以只写方式打开同一个有名管道，从中写数据。
只读
在这里插入图片描述
只写
在这里插入图片描述
通过运行可以看到，运行了其中任意一个，会发生阻塞，只有当再运行另一个才可以解除阻塞，两个程序得以顺利执行下去。验证了只写方式，写阻塞，直到另一个进程将读打开； 只读方式，读阻塞，直到另一个进程将写打开。
还可以得知，上面程序并不是在read或iwrite发生阻塞，而是在open函数处发生了阻塞。

补充：如果所有写进程都关闭命名管道，则只读进程的读操作会认为到达文件末尾，读操作解除阻塞并返回
验证：
以只读方式打开有名管道的程序代码1.c👇
在这里插入图片描述
以只写方式打开有名管道程序代码2.c👇
在这里插入图片描述
先执行1.c，会发生阻塞；再执行2.c，2.c不会往管道写入数据（保证1.c不会因为管道中有数据而解除阻塞），2.c间隔1秒关闭管道，可以看到原先阻塞的1.c也会在2.c执行1秒后解除阻塞，且read返回值为0。

4.4 练习

通过有名管道实现cp文件复制
方法一：两个c文件，一个只读管道，一个只写管道
3cp_MkfifoToDest.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char const *argv[])
{if(argc != 2){printf("Please input %s <des>\n",argv[0]);return -1;}if(mkfifo("./fifo",0666) < 0)//创建有名管道{//处理文件已存在的情况if(errno == EEXIST)//EEXTST=17{printf("file eexist\n");}else{perror("mkfifo err");return -1;}}//打开管道和目标文件int fd = open("./fifo",O_RDONLY);//此处一定不要用可读可写的方式打开//若以可读可写的方式打开，管道中无数据则读阻塞if(fd<0){perror("open fifo err");return -1;}int dest = open(argv[1],O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);if(fd<0){perror("open dest err");return -1;}//循环读管道，写目标文件ssize_t s;char buf[32] = {0};while ((s=read(fd,buf,32)) != 0)write(dest,buf,s);close(fd);close(dest);return 0;
}

3cp_SrcToMkfifo.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char const *argv[])
{if(argc != 2){printf("Please input %s <src>\n",argv[0]);return -1;}if(mkfifo("./fifo",0666) < 0)//创建有名管道{//处理文件已存在的情况if(errno == EEXIST)//EEXTST=17{printf("file eexist\n");}else{perror("mkfifo err");return -1;}}//打开管道和源文件int fd = open("./fifo",O_WRONLY);if(fd<0){perror("open fifo err");return -1;}int src = open(argv[1],O_RDONLY);if(fd<0){perror("open src err");return -1;}ssize_t s;char buf[32] = {0};while ((s=read(src,buf,32)) != 0){write(fd,buf,s);}close(fd);close(src);return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

方法二：单个c文件，用父子进程实现，父进程只写有名管道，子进程只读有名管道

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char const *argv[])
{if (argc != 3){printf("Please iniput %s <src> <dest>\n", argv[0]);return -1;}if (mkfifo("./fifo", 0666) < 0) //创建有名管道{//处理文件已存在的情况if (errno == EEXIST) //EEXTST=17{printf("file eexist\n");}else{perror("mkfifo err");return -1;}}//打开管道、源文件、目标文件int src = open(argv[1], O_RDONLY);if (src < 0){perror("open src err");return -1;}int dest = open(argv[2], O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);if (dest < 0){perror("open dest err");return -1;}ssize_t s;char buf[32] = {0};pid_t pid = fork(); // 创建子进程if (pid < 0){perror("fork err");return -1;}else if (pid == 0) //子进程从有名管道中读出数据，写到目标文件中{int fd = open("./fifo", O_RDONLY); //管道设置为只读if (fd < 0){perror("open fifo err");return -1;}while ((s = read(fd, buf, 32)) != 0)write(dest, buf, s);printf("child end...\n");close(fd);exit(0);}else //父进程从源文件读出数据，写到有名管道中{int fd = open("./fifo", O_WRONLY); //管道设置为只写if (fd < 0){perror("open fifo err");return -1;}while ((s = read(src, buf, 32)) != 0)write(fd, buf, s);printf("parent end...\n");close(fd);wait(NULL);}close(src);close(dest);return 0;
}

注：该程序容易被怀疑最后在子进程的read(fd, buf, 32)会发生阻塞，其实不然，这里用到了上面的一个要点：如果所有写进程都关闭命名管道，则只读进程的读操作会认为到达文件末尾，读操作解除阻塞并返回

五、无名管道与有名管道对比⭐⭐

在这里插入图片描述

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