Linux进程间通信【一】

进程间通信介绍

进程间通信的概念

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（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。

进程间通信的本质

进程间通信的本质：让不同的进程先看到同一份资源 – 这份资源通常都是由OS提供

由于各个进程之间在数据层面具有独立性，要想实现通信，一定要借助第三方资源，这些进程向第三方资源读取或写入数据，进而实现进程间通信，这份资源通常是由操作系统提供的。
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进程间通信的分类

管道

  • 匿名管道pipe
  • 命名管道

System V IPC

  • System V 消息队列
  • System V 共享内存
  • System V 信号量

POSIX IPC

  • 消息队列
  • 共享内存
  • 信号量
  • 互斥量
  • 条件变量
  • 读写锁

管道

什么是管道

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。
我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”

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who | wc -l 查看当前服务器上的登录用户个数，
其中，who 和 wc -l 是两个程序，运行起来后变成了两个进程，who进程通过标准输入将数据打入“管道”，wc进程再从“管道”中读取数据，完成了数据的传输。

匿名管道

匿名管道的原理

匿名管道用于进程间通信，且仅限于本地父子进程之间的通信。

进程间通信的本质就是，让不同的进程看到同一份资源，使用匿名管道实现父子进程间通信的原理就是，让两个父子进程先看到同一份被打开的文件资源，然后父子进程就可以对该文件进行写入或是读取操作，进而实现父子进程间通信。

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注意：这里父子进程看到的同一份文件资源是由操作系统来维护的，所以当父子进程对该文件进行写入操作时，该文件缓冲区当中的数据并不会进行写时拷贝。

pipe函数

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匿名管道使用步骤

在创建匿名管道实现父子进程间通信的过程中，需要pipe函数和fork函数搭配使用，具体步骤如下：

1、父进程调用pipe函数创建管道。
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2、父进程创建子进程。
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3、父进程关闭写端，子进程关闭读端。

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注意：

  1. 管道只能够进行单向通信，因此当父进程创建完子进程后，需要确认父子进程谁读谁写，然后关闭相应的读写端。
  2. 从管道写端写入的数据会被内核缓冲，直到从管道的读端被读取。

例如，在以下代码当中，子进程向匿名管道当中写入10行数据，父进程从匿名管道当中将数据读出。

//child->write, father->read                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{int fd[2] = { 0 };if (pipe(fd) < 0){ //使用pipe创建匿名管道perror("pipe");return 1;}pid_t id = fork(); //使用fork创建子进程if (id == 0){//childclose(fd[0]); //子进程关闭读端//子进程向管道写入数据const char* msg = "hello father, I am child...";int count = 10;while (count--){write(fd[1], msg, strlen(msg));sleep(1);}close(fd[1]); //子进程写入完毕，关闭文件exit(0);}//fatherclose(fd[1]); //父进程关闭写端//父进程从管道读取数据char buff[64];while (1){ssize_t s = read(fd[0], buff, sizeof(buff));if (s > 0){buff[s] = '\0';printf("child send to father:%s\n", buff);}else if (s == 0){printf("read file end\n");break;}else{printf("read error\n");break;}}close(fd[0]); //父进程读取完毕，关闭文件waitpid(id, NULL, 0);return 0;
}

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管道读写规则

pipe2函数与pipe函数类似，也是用于创建匿名管道，其函数原型如下：

int pipe2(int pipefd[2], int flags);

pipe2函数的第二个参数用于设置选项。
1、当没有数据可读时：

  • O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来为止。
  • O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。

2、当管道满的时候：

  • O_NONBLOCK disable：write调用阻塞，直到有进程读走数据。
  • O_NONBLOCK enable：write调用返回-1，errno值为EAGAIN

3、如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0。
4、如果所有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，进而可能导致write进程退出。
5、当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，Linux将保证写入的原子性。
6、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。

管道的特点

  • 只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信；通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父、子进程之间就可应用该管道。
  • 管道提供流式服务
  • 一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程
  • 一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥
  • 管道是半双工的，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

注意：
同步： 两个或两个以上的进程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。比如，A任务的运行依赖于B任务产生的数据。
互斥： 一个公共资源同一时刻只能被一个进程使用，多个进程不能同时使用公共资源。

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命名管道

命名管道的原理

匿名管道只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间的通信，通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父子进程之间就可应用该管道。
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：

  1. 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。
  2. 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。

创建一个命名管道

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

mkfifo函数的第一个参数是pathname，表示要创建的命名管道文件。

  • 若pathname以路径的方式给出，则将命名管道文件创建在pathname路径下。
  • 若pathname以文件名的方式给出，则将命名管道文件默认创建在当前路径下。（注意当前路径的含义）创建命名管道:

mkfifo函数的第二个参数是mode，表示创建命名管道文件的默认权限。

注意：若想创建出来命名管道文件的权限值不受umask的影响，则需要在创建文件前使用umask函数将文件默认掩码设置为0。

创建命名管道:

int main(int argc, char *argv[])
{mkfifo("p2", 0644);return 0;
}

命名管道的打开规则

1、如果当前打开操作是为读而打开FIFO时。

  • O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO。
  • O_NONBLOCK enable：立刻返回成功。

2、如果当前打开操作是为写而打开FIFO时。

  • O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO。
  • O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO。

用命名管道实现serve&client通信

实现服务端(server)和客户端(client)之间的通信之前，我们需要先让服务端运行起来，我们需要让服务端运行后创建一个命名管道文件，然后再以读的方式打开该命名管道文件，之后服务端就可以从该命名管道当中读取客户端发来的通信信息了。

服务端的代码如下：

#include "comm.h"int main()
{umask(0); //将文件默认掩码设置为0if (mkfifo(FILE_NAME, 0666) < 0){ //使用mkfifo创建命名管道文件perror("mkfifo");return 1;}int fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY); //以读的方式打开命名管道文件if (fd < 0){perror("open");return 2;}char msg[128];while (1){msg[0] = '\0'; //每次读之前将msg清空//从命名管道当中读取信息ssize_t s = read(fd, msg, sizeof(msg)-1);if (s > 0){msg[s] = '\0'; //手动设置'\0'，便于输出printf("client# %s\n", msg); //输出客户端发来的信息}else if (s == 0){printf("client quit!\n");break;}else{printf("read error!\n");break;}}close(fd); //通信完毕，关闭命名管道文件return 0;
}

客户端的代码如下：

#include "comm.h"int main()
{int fd = open(FILE_NAME, O_WRONLY); //以写的方式打开命名管道文件if (fd < 0){perror("open");return 1;}char msg[128];while (1){msg[0] = '\0'; //每次读之前将msg清空printf("Please Enter# "); //提示客户端输入fflush(stdout);//从客户端的标准输入流读取信息ssize_t s = read(0, msg, sizeof(msg)-1);if (s > 0){msg[s - 1] = '\0';//将信息写入命名管道write(fd, msg, strlen(msg));}}close(fd); //通信完毕，关闭命名管道文件return 0;
}

对于如何让客户端和服务端使用同一个命名管道文件，这里我们可以让客户端和服务端包含同一个头文件，该头文件当中提供这个共用的命名管道文件的文件名，这样客户端和服务端就可以通过这个文件名，打开同一个命名管道文件，进而进行通信了。

共用头文件的代码如下：

//comm.h
#pragma once#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>#define FILE_NAME "myfifo" //让客户端和服务端使用同一个命名管道

代码编写完毕后，先将服务端进程运行起来，之后我们就能在客户端看到这个已经被创建的命名管道文件。
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命名管道和匿名管道的区别

  • 匿名管道由pipe函数创建并打开。
  • 命名管道由mkfifo函数创建，由open函数打开。
  • FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在于它们创建与打开的方式不同，一旦这些工作完成之后，它们具有相同的语义。

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