Linux多进程开发2 - 进程间通信

1、进程间通信的概念

进程是一个独立的资源分配单元，不同进程之间的资源是独立的，没有关联，不能在一个进程中直接访问另一个进程的资源。但是，进程不是孤立的，不同的进程需要进行信息的交换和状态的传递等，因此需要进程间通信(IPC:Inter Processes Communication)。

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；
通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它们发生了某种事件(如进程终止时要通知父进程)；
资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了做到这一点，需要内核提供互斥和同步机制；
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

2、Linux 进程间通信的方式

3、管道

UNIX对操作系统开发最重要的贡献之一是管道。管道是一个位于CPU内核内存中维护的环形缓冲区，运行两个进程以生产者/消费者的模型进行通信。因此管道是一个先进先出的 FIFO 队列，由一个进程写，另一个进程读。

管道在创建时获得一个固定大小的字节数。当一个进程试图往管道中写时，如果有足够的空间，则写请求被立即执行；否则该进程被阻塞。

类似地，如果一个读进程试图读取多于当前管道中的字节数时，它也被阻塞；否则读请求被立即执行。

操作系统强制实施互斥，即一次只能有一个进程可以访问管道。在管道道中的数据的传递方向是单向的，一端用于写入，一端用于读取，管道是半双工(对讲机，同一时刻只有一方可以讲话)的。

从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读走，就会被管道抛弃，释放空间以便写更多的数据，在管道中无法使用 lseek() 函数来随机访问数据

管道分为两类：匿名管道、有名管道。只有具有血缘关系(比如父子进程、兄弟进程)的进程才可以共享匿名管道，而不相关的进程只能共享有名管道。

4、管道的读写特点

读管道：
管道中有数据，read返回实际读到的字节数。
管道中无数据：
写端被全部关闭，read返回0（相当于读到文件的末尾）
写端没有完全关闭，read阻塞等待

写管道：
管道读端全部被关闭，进程异常终止（进程收到SIGPIPE信号）
管道读端没有全部关闭：
管道已满，write阻塞
管道没有满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数

5、有名管道的使用

用一个简单的例子来说明有名管道的具体使用过程

1、创建一个有名管道，向管道里循环写入100个数字

2、通过读管道的方式同步读出这些数字

创建管道并写入数据

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>// 向管道中写数据
int main() {// 1.判断文件是否存在int ret = access("test", F_OK);if(ret == -1) {printf("管道不存在，创建管道\n");// 2.创建管道文件ret = mkfifo("test", 0664);if(ret == -1) {perror("mkfifo");exit(0);}       }// 3.以只写的方式打开管道int fd = open("test", O_WRONLY);if(fd == -1) {perror("open");exit(0);}// 写数据for(int i = 0; i < 100; i++) {char buf[1024];sprintf(buf, "hello, %d\n", i);printf("write data : %s\n", buf);write(fd, buf, strlen(buf));sleep(1);}close(fd);return 0;
}

创建有名管道(fifo):

1.通过命令： mkfifo 管道名称

2.通过函数：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

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

参数：

- pathname: 管道名称的路径

- mode: 文件的权限和 open 的 mode 是一样的，是一个八进制的数

返回值：成功返回0，失败返回-1，并设置错误号

读出数据

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>// 从管道中读取数据
int main() {// 1.打开管道文件int fd = open("test", O_RDONLY);if(fd == -1) {perror("open");exit(0);}// 读数据while(1) {char buf[1024] = {0};int len = read(fd, buf, sizeof(buf));if(len == 0) {printf("写端断开连接了...\n");break;}printf("recv buf : %s\n", buf);}close(fd);return 0;
}

运行结果：

*当先暂停写数据时，读端会显示“写端断开连接了”

*当先暂停读数据时，写端也会跟着暂停，原理是管道读端被全部关闭，进行异常终止（收到一个 SIGPIPE 信号）

根据实验结果得出结论：

1.一个为只读而打开一个管道的进程会阻塞，直到另外一个进程为只写打开管道

2.一个为只写而打开一个管道的进程会阻塞，直到另外一个进程为只读打开管道

6、有名管道实现简单版聊天功能

任务总览图

分别创建2个进程来模拟2个用户

用户A

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main() {// 1.判断有名管道文件是否存在int ret = access("fifo1", F_OK);if(ret == -1) {// 文件不存在printf("管道不存在，创建对应的有名管道\n");ret = mkfifo("fifo1", 0664);if(ret == -1) {perror("mkfifo");exit(0);}}ret = access("fifo2", F_OK);if(ret == -1) {// 文件不存在printf("管道不存在，创建对应的有名管道\n");ret = mkfifo("fifo2", 0664);if(ret == -1) {perror("mkfifo");exit(0);}}// 2.以只写的方式打开管道fifo1int fdw = open("fifo1", O_WRONLY);if(fdw == -1) {perror("open");exit(0);}printf("打开管道fifo1成功,等待写入...\n");// 3.以只读的方式打开管道fifo2int fdr = open("fifo2", O_RDONLY);if(fdr == -1) {perror("open");exit(0);}printf("打开管道fifo2成功,等待读取...\n");char buf[128];// 4.循环的写读数据while(1) {memset(buf, 0, 128);// 获取标准输入的数据fgets(buf, 128, stdin);// 写数据ret = write(fdw, buf, strlen(buf));if(ret == -1) {perror("write");exit(0);}// 5.读管道数据memset(buf, 0, 128);ret = read(fdr, buf, 128);if(ret <= 0) {perror("read");break;}printf("fromB: %s\n", buf);}// 6.关闭文件描述符close(fdr);close(fdw);return 0;
}

用户B

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main() {// 1.判断有名管道文件是否存在int ret = access("fifo1", F_OK);if(ret == -1) {// 文件不存在printf("管道不存在，创建对应的有名管道\n");ret = mkfifo("fifo1", 0664);if(ret == -1) {perror("mkfifo");exit(0);}}ret = access("fifo2", F_OK);if(ret == -1) {// 文件不存在printf("管道不存在，创建对应的有名管道\n");ret = mkfifo("fifo2", 0664);if(ret == -1) {perror("mkfifo");exit(0);}}// 2.以只读的方式打开管道fifo1int fdr = open("fifo1", O_RDONLY);if(fdr == -1) {perror("open");exit(0);}printf("打开管道fifo1成功, 等待读取...\n");// 3.以只写的方式打开管道fifo2int fdw = open("fifo2", O_WRONLY);if(fdw == -1) {perror("open");exit(0);}printf("打开管道fifo2成功, 等待写入...\n");char buf[128];// 4.循环的读写数据while(1) {// 5.读管道数据memset(buf, 0, 128);ret = read(fdr, buf, 128);if(ret <= 0) {perror("read");break;}printf("fromA: %s\n", buf);memset(buf, 0, 128);// 获取标准输入的数据fgets(buf, 128, stdin);// 写数据ret = write(fdw, buf, strlen(buf));if(ret == -1) {perror("write");exit(0);}}// 6.关闭文件描述符close(fdr);close(fdw);return 0;
}

fgets(buf, 128, stdin);

表示从键盘输入(stdin)读取最多128个字符到 buf 数组中，直到遇到换行符、文件结束符或者读取到了第127个字符为止。fgets 函数会将读取的字符放入 buf 数组中，同时在末尾添加一个null字符，以确保字符串以null结尾。

实验结果：