[Linux]进程间通信--管道

[Linux]进程间通信–管道

文章目录

  • [Linux]进程间通信--管道
    • 进程间通信的目的
    • 实现进程间通信的原理
    • 匿名管道
      • 匿名管道的通信原理
      • 系统接口
      • 管道特性
      • 管道的协同场景
      • 管道的大小
    • 命名管道
      • 使用指令创建命名管道
      • 使用系统调用创建命名管道

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。

实现进程间通信的原理

进程是具有独立性的，一个进程是无法看到另一个进程的代码和数据的，为了让进程间通信，要做的工作就是让不同的进程看到同一份“资源”。

任何进程通信手段需要解决的问题如下：

  • 让不同的进程看到同一份“资源”
  • 让一方进行读取，另一方进行写入

不同的进程间通信手段本质的区别就是让不同的进程看到同一份“资源”的方式不同。

匿名管道

匿名管道是一种以文件为媒介的通信方式，匿名管道是一个内存级别的文件，拥有和普通文件一样的缓冲区，但是操作系统不会将缓冲区刷新至外设，匿名管道虽然是文件，但是由于没有文件路径，进程是无法通过系统文件接口来操作的，因此匿名管道通常用于父子进程之间使用。

匿名管道的通信原理

由于匿名管道没有文件路径，进程是无法通过系统文件接口来操作的特性，匿名管道必须通过父进程创建，子进程继承父进程文件描述符表的方式，使得不同的进程看到同一个文件：

image-20230909104154011

由于匿名管道只支持单向通信，在使用匿名管道进行通信时，父进程必须分别以读方式和写方式打开管道文件，子进程继承了文件描述符表后，一方关闭读端，一方关闭写端进行通信。

注意： 如果父进程只以读方式或者写方式打开，子进程继承文件描述符表后，也是同样的方式，子进程自身无法打开该管道，因此导致无法通信。

系统接口

Linux系统提供了创建匿名管道的系统接口pipe:

//pipe所在的头文件和声明
#include <unistd.h>int pipe(int pipefd[2]);
  • pipefd为输出型参数，用于接收以读方式和写方式打开管道的文件描述符。
  • pipefd[0]获取读端文件描述符，pipefd[1]获取写端文件描述符。
  • 成功返回0，失败返回-1，错误码被设置。

编写如下代码测试pipe接口：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>using namespace std;int main()
{//创建管道int pipefd[2] = { 0 };int n = pipe(pipefd);if (n < 0)//出错判断{cout << "errno: " << errno << "strerror: " << strerror(errno) << endl;exit(1); }//创建子进程pid_t id = fork();assert(id != -1);//出错判断//进行通信 -- 父进程进行读取，子进程进行写入if (id == 0){//子进程close(pipefd[0]);const string str = "hello world";int cnt = 1;char buffer[1024];while(1){snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s, 我是子进程, 我的pid:%d, 计数器:%d", str.c_str(), getpid(), cnt++);write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));//向管道写入数据sleep(1);}close(pipefd[1]);exit(0);}//父进程close(pipefd[1]);char buffer[1024];while(1){read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);//从管道读取数据cout << "我是父进程," << "child give me: " << buffer << endl;}close(pipefd[0]);return 0;
}

编译代码运行查看结果：

pipe1演示

从运行结果可以看出，建立管道后，父子进程就能够进行数据通信。

管道特性

  1. 单向通信，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
  2. 管道的本质是文件，因此管道的生命周期随进程
  3. 管道通信，通常适用于具有“血缘关系的进程”，诸如父子进程、兄弟进程等
  4. 管道的数据是以字节流的形式传输的，读写次数的多数不是强相关的
  5. 具有一定的协同机制

管道的协同场景

场景一： 如果管道内部的数据被读端读取完了，写端不写入，读端就只能等待

编写如下代码（如下代码只是在前文测试pipe接口的代码上做略微改动，主要改动已用-----标识）进行验证：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>using namespace std;int main()
{//创建管道int pipefd[2] = { 0 };int n = pipe(pipefd);if (n < 0){cout << "errno: " << errno << "strerror: " << strerror(errno) << endl;exit(1); }//创建子进程pid_t id = fork();assert(id != -1);//进行通信 -- 父进程进行读取，子进程进行写入if (id == 0){//子进程close(pipefd[0]);const string str = "hello world";int cnt = 1;char buffer[1024];while(1){snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s, 我是子进程, 我的pid:%d, 计数器:%d", str.c_str(), getpid(), cnt++);write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));sleep(100); // ---------  模拟写入暂停  --------- }close(pipefd[1]);exit(0);}//父进程close(pipefd[1]);char buffer[1024];while(1){read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);cout << "我是父进程," << "child give me: " << buffer << endl;}close(pipefd[0]);return 0;
}

编译代码运行查看结果：

pipe2演示

场景二： 如果管道内部的数据被写端写满了，读端不读取，写端无法继续写入

编写如下代码（如下代码只是在前文测试pipe接口的代码上做略微改动，主要改动已用-----标识）进行验证：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>using namespace std;int main()
{//创建管道int pipefd[2] = { 0 };int n = pipe(pipefd);if (n < 0){cout << "errno: " << errno << "strerror: " << strerror(errno) << endl;exit(1); }//创建子进程pid_t id = fork();assert(id != -1);//进行通信 -- 父进程进行读取，子进程进行写入if (id == 0){//子进程close(pipefd[0]);const string str = "hello world";int cnt = 1;char buffer[1024];while(1){snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s, 我是子进程, 我的pid:%d, 计数器:%d", str.c_str(), getpid(), cnt++);write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));printf("cnt: %d\n", cnt); // ---------  显示写入过程  --------- //sleep(100);}close(pipefd[1]);exit(0);}//父进程close(pipefd[1]);char buffer[1024];while(1){sleep(100); // ---------  模拟读取暂停  --------- read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);cout << "我是父进程," << "child give me: " << buffer << endl;}close(pipefd[0]);return 0;
}

编译代码运行查看结果：

pipe3演示

场景三： 写端关闭，读端读完了管道内部的数据时，再读就读到了文件的结尾。

编写如下代码（如下代码只是在前文测试pipe接口的代码上做略微改动，主要改动已用-----标识）进行验证：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>using namespace std;int main()
{//创建管道int pipefd[2] = { 0 };int n = pipe(pipefd);if (n < 0){cout << "errno: " << errno << "strerror: " << strerror(errno) << endl;exit(1); }//创建子进程pid_t id = fork();assert(id != -1);//进行通信 -- 父进程进行读取，子进程进行写入if (id == 0){//子进程close(pipefd[0]);const string str = "hello world";int cnt = 1;char buffer[1024];while(1){snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s, 我是子进程, 我的pid:%d, 计数器:%d", str.c_str(), getpid(), cnt++);write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));printf("cnt: %d\n", cnt);sleep(1);if (cnt == 5) break; // ---------  写端关闭  --------- }close(pipefd[1]);exit(0);}//父进程close(pipefd[1]);char buffer[1024];while(1){int n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);if (n > 0){cout << "我是父进程," << "child give me: " << buffer << endl;}else if (n == 0)// ---------  判断读取到文件末尾  --------- {cout << "读取完毕, 读到文件结尾" << endl;break;}else{cout << "读取出错" << endl;break;}}close(pipefd[0]);return 0;
}

编译代码运行查看结果：

pipe4演示

**场景四：**写端一直写，读端关闭，操作系统会给写端发送13号信号终止进程。

编写如下代码（如下代码只是在前文测试pipe接口的代码上做略微改动，主要改动已用-----标识）进行验证：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>using namespace std;int main()
{//创建管道int pipefd[2] = { 0 };int n = pipe(pipefd);if (n < 0){cout << "errno: " << errno << "strerror: " << strerror(errno) << endl;exit(1); }//创建子进程pid_t id = fork();assert(id != -1);//进行通信 -- 父进程进行读取，子进程进行写入if (id == 0){//子进程close(pipefd[0]);const string str = "hello world";int cnt = 1;char buffer[1024];while(1){snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s, 我是子进程, 我的pid:%d, 计数器:%d", str.c_str(), getpid(), cnt++);write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));printf("cnt: %d\n", cnt);sleep(1);}close(pipefd[1]);exit(0);}//父进程close(pipefd[1]);char buffer[1024];while(1){int cnt = 0;//sleep(100);int n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);if (n > 0){cout << "我是父进程," << "child give me: " << buffer << endl;}else if (n == 0){cout << "读取完毕, 读到文件结尾" << endl;break;}else{cout << "读取出错" << endl;break;}//sleep(100);sleep(5);break;// ---------  读端关闭  --------- }close(pipefd[0]);int status = 0;waitpid(id, &status, 0);cout << "signal: " << (status & 0x7F) << endl;// --------- 回收子进程获取退出信号  --------- sleep(3);return 0;
}

编译代码运行查看结果：

pipe5演示

管道的大小

在Linux下，管道（Pipe）的大小受到操作系统的限制。具体来说，管道的大小由内核参数PIPE_BUF定义，通常是4096个字节。

  • 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。

命名管道

命名管道同样是内存级的文件，和匿名管道的区别就是命名管道可以在指定路径下创建，并且命名可以指定，因此命名管道可以给任何两个不同的进程用于通信。

使用指令创建命名管道

Linux下使用mkfifo 指令就可以在指定路径下创建命名管道。

image-20230910162001046

命名管道同样和匿名管道一样满足管道的协同场景：

namepipe2演示

写端尝试打开管道文件，没有读端，写端就会卡在打开文件这一步骤。

namepipe1演示

右侧读端开始会等待写端写入，后续关闭右侧读端，左侧写端进程直接被终止。

使用系统调用创建命名管道

//mkfifo所在的头文件和声明
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
  • pathname参数 – 创建命名管道的路径
  • mode参数 – 创建命名管道的文件权限
  • 成功返回0，失败返回-1,错误码被设置。

为了测试mkfifo接口编写代码进行测试，首先设置文件结构如下：

image-20230910164247561

makefile文件内容如下：

.PHONY:all
all:client serverclient:client.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11server:server.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -rf client server

common.hpp主要用于让两个进程获取管道路径，具体内容如下：

#include <iostream>
#include <string>#define NUM 1024const std::string pipename = "./namepipe"; //管道的路径和管道名mode_t mode = 0666; //创建管道的文件权限

client.cc作为写端输入数据,具体内容如下：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include "commn.hpp"int main()
{// 打开管道文件int wfd = open(pipename.c_str(), O_WRONLY);if (wfd < 0){std::cerr << "errno : " << errno << "strerror : " << strerror(errno) << std::endl;exit(1);}//进行通信while(true){char buffer[NUM];std::cout << "请输入内容：";fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);//获取用户输入buffer[strlen(buffer) - 1] = 0;if (strcasecmp(buffer, "quit") == 0) break;//用户输入quit退出进程ssize_t size = write(wfd, buffer, strlen(buffer));assert(size >= 0);(void)size;}close(wfd);return 0;
}

server.cc作为读端用于接收写端的输入并打印,具体内容如下：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include "commn.hpp"int main()
{umask(0);// 创建管道文件int n = mkfifo(pipename.c_str(), mode);if (n < 0){std::cerr << "errno : " << errno << "strerror : " << strerror(errno) << std::endl;exit(1);}std::cout << "create fifo file success" << std::endl;// 以读方式打开管道文件int rfd = open(pipename.c_str(), O_RDONLY);if (rfd < 0){std::cerr << "errno : " << errno << "strerror : " << strerror(errno) << std::endl;exit(2);}// 进行通信while (true){char buffer[NUM];ssize_t size = read(rfd, buffer, sizeof(buffer) - 1);buffer[size] = 0;if (size > 0){std::cout << "client send me :" << buffer << std::endl;//输出接收的信息}else if (size == 0){std::cout << "client quit, me too!" << std::endl;break;}else{std::cerr << "errno : " << errno << "strerror : " << strerror(errno) << std::endl;break;}}close(rfd);unlink(pipename.c_str()); // 删除文件return 0;
}

编译代码运行查看结果：

namepipe3演示

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