文章目录
- 进程间通信的介绍
- 进程间通信的目的
- 进程间通信的本质
- 匿名管道
- 创建管道
- 匿名管道的特征
- 命名管道
- 小结
进程间通信的介绍
进程间通信简称IPC(Interprocess communication),进程间通信就是在不同进程之间传播或交换信息。
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,比如进程终止时需要通知其父进程。
- 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
进程间通信的本质就是,让不同的进程看到同一份资源。
由于各个运行进程之间具有独立性,这个独立性主要体现在数据层面,而代码逻辑层面可以私有也可以公有(例如父子进程),因此各个进程之间要实现通信是非常困难的。
各个进程之间若想实现通信,一定要借助第三方资源,这些进程就可以通过向这个第三方资源写入或是读取数据,进而实现进程之间的通信,这个第三方资源实际上就是操作系统提供的一段内存区域。
操作系统提供的这一段内存区域被我们称为:公共资源。
公共资源有了,还必须让要通信的进程都看到这一份公共资源,此时要通信的进程将有了通信的前提。之后就是进程通信,也就是访问这块公共资源的数据。
之所以有不同的通信方式,是因为公共资源的种类不能,如果公共资源是一块内存,那么通信方式就叫做共享内存,如果公共资源是一个文件,也就是struct file结构体,那么就叫做管道。
首先我们来回忆一下文件系统
父进程打开一个文件,操作系统在内存上创建一个struct file结构体对象,里面包含文件的各种属性,以及对磁盘文件的操作方法。
每个struct file对象中还有一个内核缓冲区,这个缓冲区中可以存放数据。
当子进程创建的时候,父进程的文件描述符表会被子进程继承下去,所以此时子进程在相同的fd处也指向父进程打开的文件。
文件描述符表一个进程维护一个,但是struct file结构体对象在内存中只有一个,由操作系统维护。
此时,父子进程将看到了同一份公共资源,也就是操作系统在内存中维护的struct file对象,并且父子进程也都和这份资源建立了连接。
此时父子进程通信的基础有了,它们就可以通信了。
父进程向文件中写内容,写完后继续干自己的事,并不破坏父进程的独立性。
子进程向文件中读内容,读完后继续干自己的事,并不破坏子进程的独立性。
这样一读一写,父子进程将完成了一次进程间通信。
而我们又知道,对文件进行IO操作时,由于需要访问硬盘,所以速度非常的慢,而且我们发现,父子间进行通信,磁盘中文件的内容并不重要,重要的是父进程写了什么,子进程又读到了什么。
此时操作系统为了提高效率,就关闭了内存中struct file和硬盘中文件进行IO的通道。
父进程写数据写到了struct file的内核缓冲区中。
子进程读数据从struct file的内核缓冲区中读取。
此时,父子间通信仍然正常进行,并且效率还非常的高,而且还没有影响进程的独立性。而这种不进行IO的文件叫做内存级文件。
这种由文件系统提供公共资源的进程间通信,就叫做管道。
进程A和B就通过管道建立起了连接,并且可以进程进程之间的通信。而管道又分为匿名管道和命名管道。
匿名管道
匿名管道:顾名思义,就是没有名字的文件(struct file)。 匿名管道只能用于父子进程间通信,或者由一个父进程创建的兄弟进程之间进行通信。
现在我们知道了匿名管道就是没有名字的文件,通过管道进行通信时,只需要通信双方打开同一个文件就可以。
我们通过系统调用open打开文件的时候,会指定打开方式,是读还是写。
当父进程以写方式打开一个文件的时候,创建的子进程会继承父进程的一切。
此时子进程也是以写的方式打开的这个文件。
既然是通信,势必有一方在写,一方在读,而现在父子双方都是以写的方式打开,它们怎么进行通信呢?
父进程以读和写的方式打开同一份文件两次。
此时的管道文件分为写端和读端,并且写端和读端各会返回一个文件描述符fd。所以父进程的文件描述符表中,和管道文件有关的文件描述符fd就有两个。
这样一来,创建子进程后,父子进程都可以对管道进行读和写,它们就可以进行通信了,上面的问题就解决了。
之所以命名为管道,那么就有和管道类似的性质。在生活中,我们对水管,它的流向只能是单向的,管道也一样,通过管道建立的通信只能进行单向数据通信。
是因为通过内存级文件通信的方式具有这种特点,才命名的管道。
而不是先命名管道才设计的内存级文件通信方式。
- 为了防止父进程对管道进行误读,以及子进程对管道进行误写,破坏通信规则。
- 将父进程的读端关闭,将子进程的写端关闭,使用系统调用close(fd)。
按照上面的操作,父进程进行读的操作,子进程读取父进程传输过来的数据
创建管道
建立管道的系统调用pipe
上面都是理论上的,具体到代码中是如何建立管道的呢?既然是操作系统中的文件系统提供的公共资源,当然是用系统调用来建立管道了。
- 形参:int pipefd[2]是一个输出型参数,是一个数组,该数组只有两个元素,下标分别为0和1。
- 下标为0的元素表示的是管道读端的文件描述符fd。
- 下标为1的元素表示的是管道写端的文件描述符fd。
使用系统调用pipe,直接就会得到两个fd,并且放入父进程的文件描述符表中,不用打开内存级文件两次。
- 返回值:int类型的整数,对管道创建情况进行反馈。
- 返回0,表示管道创建成功。
- 返回-1,表示管道创建失败,并且会将错误码自动写入errno中。
#include <iostream>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <unistd.h>int main()
{int fds[2];int ret = pipe(fds);if(ret < 0){std::cerr<<errno<<":"<<strerror(errno)<<std::endl;}std::cout<<"fds[0]: "<<fds[0]<<std::endl;std::cout<<"fds[1]: "<<fds[1]<<std::endl;return 0;
}
可以看到,创建管道后返回的两个fd值,果然是3和4,因为0,1,2分别被stdin,stdout,stderr占用。
知道了如何使用系统调用创建管道以后,接下来就创建子进程,然后关闭不需要的端口了,原理已经清楚,直接看代码。
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include<string.h>#define MAX 1024using namespace std;
//子写 父读
int main()
{int status = 0;//1、建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);//pipe函数成功返回0assert(n == 0);(void)n; //没有用到n,防止编译器告警cout << "pipefd[0]" << pipefd[0] << " " << "pipefd[1]" << pipefd[1] << endl;//2、创建子进程pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 1;}if(id == 0) //子进程{close(pipefd[0]);int cnt = 10;while(cnt){ char message[MAX]; snprintf(message, sizeof(message), "hello, I am child,pid: %d, cnt : %d",getpid(), cnt);cnt--;write(pipefd[1], message, strlen(message));sleep(1);}exit(0);}//父进程 返回子进程idclose(pipefd[1]);char buffer[MAX]; while(1){ssize_t n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);if(n > 0){buffer[n] = '\0';cout << "child say:" << buffer << "to father" << endl;}else break;}pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid == id){cout << "wait sucess" << endl;}return 0;
}
上面的管道实现的是子进程进行写,父进程进行读
匿名管道的特征
- 写入快,读取慢,write调用阻塞,直到有进程读走数据。
- 写入慢,读取块,read调用阻塞,即进程暂停执行,一直等到有数据来到为止。
- 管道写端对应的文件描述符被关闭,则read返回0。
- 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,让write进程退出。
命名管道
命名管道:顾名思义,有名字的管道(内存级文件)。
如果要实现两个毫不相关进程之间的通信,可以使用命名管道来做到。命名管道就是一种特殊类型的文件,两个进程通过命名管道的文件名打开同一个管道文件,此时这两个进程也就看到了同一份资源,进而就可以进行通信了。
注意:普通文件是很难做到通信的,即便做到通信也无法解决一些安全问题。
命名管道和匿名管道一样,都是内存文件,只不过命名管道在磁盘有一个简单的映像,但这个映像的大小永远为0,因为命名管道和匿名管道都不会将通信数据刷新到磁盘当中。
- 指令:mkfifo 文件名
- 功能:创建命名管道文件
如上图所示,此时就创建了一个命名管道,可以看到,文件类型是p,而且该文件还有inode,说明在磁盘上是真实存在的。
当磁盘中有了命名管道文件以后,两个进程将可以通过这个管道文件进行通信了,步骤和匿名管道非常相似。
一个进程以写方式打开管道文件。
另一个进程以读端方式打开管道文件。
此时两个进程将建立了连接,然后将可以进行通信了。
我们知道,进程间通信的前提是,要通信的进程能够看到同一份公共资源,那么命名管道是如何做到这一点的呢?
让不同的进程打开指定路径下同一个管道文件。
路径 + 文件名 = 唯一性
所以说,命名管道是通过利用这种唯一性来让要通信的进程都看到这块内存级文件的。
命名管道的系统调用mkfifo/unlink
创建管道文件:
可以在shell中通过命令的方式创建管道文件,两个进程直接去使用它。也可以像文件一样,在进程中创建管道文件,此时就需要用到系统调用。
- 第一个形参:管道文件的名字
- 第二个形参:创建管道文件的权限
- 返回值:0表示创建成功,-1表示创建失败。
此时就有了这样一个管道文件,结果和使用命名mkfifo的结果是一样的。
再次运行程序,就会报错,管道文件已经存在,所以说,如果管道文件已经存在了,就没有必要再使用系统调用mkfifo。
删除管道文件:
向管道文件中写如数据,这些数据是不会IO到磁盘中的。
让程序开始疯狂向管道文件中写入内容,再查看管道文件,发现文件的大小没有变化。
和匿名管道一样,向命名管道写文件时,不会和磁盘进行IO,而是将数据写到了struct file结构体的缓冲区中,数据写入了内核中。
这样看来,命名管道文件我们能不能看到不重要。
可以在使用完管道文件以后,再将管道文件删除。
- 形参:要删除的管道文件名称(路径加名字)
- 返回值:删除成功返回0,失败返回-1。
通信代码及演示
我们创建两个进程进行通信,一方叫做sever,另一方叫做client,sever负责创建管道文件,并且从管道中读取数据,client负责向管道中写入数据。
sever.c代码:
创建好管道文件以后,使用系统调用open以写的方式打开文件,再通过系统调用read读取管道中的数据。
client.c代码:
在server.c创建好管道文件以后,再使用open以写方式打开管道文件,再通过write将从键盘上获取的数据写入到管道文件中。
运行效果:
client输入什么,sever就输出什么,此时两个无关的进程就成功进行了通信。
有了匿名管道的基础,命名管道就很简单了,不同之处只在于需要创建管道文件和打开管道文件,而匿名管道的pipe系统调用直接就将管道文件创建好并且打开了。其他的操作都一样。
小结
匿名管道和命名管道的区别:
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,删除用unlink函数。
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。