(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节4：进程通信（配合Linux）

Posted 快乐江湖

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节4：进程通信（配合Linux）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

一：什么是进程通信

“微信想要获取手机存储权限”这就是一个典型的进程通信的例子，进程是操作系统分配资源的最基本单位，每个进程拥有各自独立的地址空间，在正常情况下，它们是互不干扰的，体现了进程的独立性

那么独立性体现的是数据的互不干扰，而通信体现的却是数据的交互，这两点看起来岂不是“矛盾”的吗？但是实则不然，我们所说的独立并不是完全独立，进程与进程之间也会产生协作关系，这种协作是需要通过通信来完成的

进程间实现通信的目的无外乎以下几种

  • 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另外一个进程
  • 资源共享：多个进程之间共享资源
  • 通知事件：一个进程需要向另一个或另一组进程发送消息，通知发生了什么事件
  • 进程控制：有些进程希望控制另一些进程，比如说调试功能

二：如何实现进程间通信及其分类

先不要管这样那样的分类方式，想要实现进程间通信，其核心思想就是：用尽一切办法让他们看见同一份内存空间

至于这个内存空间是由谁提供的，或者是以什么方式提供的就决定了进程间通信的方式。如果操作系统以文件的方式提供的，就叫做管道;如果操作系统避开文件层，直接从内核构建通信，就是System V IPC

1：管道

  • 匿名管道pipe
  • 命名管道

2：System V IPC

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

3：POSIX IPC

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

三：通信方式1-共享存储（共享内存）

（1）课本基础内容

前面在进程地址空间的时候，我们知道了每个进程看到的都是虚拟内存，页表则负责将虚拟内存映射到真实的物理内存处

既然页表是负责映射的，那么是否可以在物理内存上开辟一片空间，然后通过页表让他们都映射到一片内存空间，这样就符合“看到同一片内存空间”的规则呢？

答案是可以的。这样的话，两个进程在进行读写时实际操纵的是同一片内存，进程1的读写操作就可以让进程2看到了

课本中所说的基于存储区的共享，其中区域就被划分在了这里，这里可以处理通信，也可以存放我们常常听到过的动态库等内容

（2）补充-Linux中的进程通信

不管是管道，还是共享内存，进程间通信的本质就是让他们看见相同的内存资源。大家需要明白的一点是，进程间通信不是嘴上说说那么简单，想要实现两个进程看见同一份内存资源，以及看见资源后如何写入，读取，同时对于这份内存如何把不同进程关联上去，如何保证关联的稳定等等 ，这都是需要去管理的，况且操作系统会存在大量的进程通信，所以对于操作系统，想要管理好进程间通信，一定是先组织，再描述，也就是底层会存在大量与此相关的数据结构

正如描述进程时的task_strct,描述文件时的file struct，描述进程间通信的结构体则是shmid_ds

剩余内容篇幅较长，如有兴趣可以移步Linux系统编程28：进程间通信之共享内存和相关通信接口（ftok,shmget,shmctl,shmat,shmdt）

四：通信方式2-管道

（1）管道是什么

管道是UNIX中一种古老的通信方式，管道本质其实是一个文件

如上，命令行who的标准输出原本是屏幕，但是却输出到了管道文件中，发生了重定向，然后wc命令再从以管道文件作为标准输入，然后输出到屏幕中
其中who | wc -l这种属于匿名管道

（2）匿名管道

A：读端和写端

从who | wc -l可以看出，who作为一个进程是把内容写入管道文件，使用的是管道的写端，wc从管道中读入数据，使用的是管道的读端。
所以两个进程利用管道通信时，一个进程要使用管道的写端写入数据，另一个进程则要使用管道的读端读入数据，所以管道文件就要用两个文件描述符进行控制，一个控制读端，一个控制写端

所以下面是父进程创建了管道

接着父进程创建子进程

可以发现此时父子进程可以同时对管道进行写入的和读取，但是管道只能一端写入一端读入，所以要进行调整

B：建立匿名管道的函数

pipe函数用于建立匿名管道，其头文件是unistd.h
其函数原型为int pipe(int fd[2]),其中fd是一个有两个元素fd[0],fd[1]的数组，传入函数pipe后在其内部分别以读写的方式打开管道文件，默认情况下，fd[0]和fd[1]会分别获得文件描述符，其中fd[0]表示读端，fd[1]表示写端

模拟实现一下pipe函数可能就是下面这样的

有很多同学在这里会感到疑惑，因为用于进程间通信的管道文件就只有一个，为什么会有两个文件描述符呢？（默认是3和4）

其实这一点在之前的基础IO中我没有表示特别清楚，以读方式的打开一个文件，会分配一个描述符（假设是3），然后再以写方式打开刚才的你文件也会分配一个描述符（假设是4），这里的3和4操作的是一个文件，只不过一个负责读，一个负责写
比如下面这个例子就可以说明这个情况

C：最简单的进程间通信-演示

这里我们可以根据上面读端和写端的那个流程，首先调用pipe函数，接着创建子进程

现在的场景就是这样
接着，我们让子进程写入数据到管道，父进程从管道读取数据。于是关闭子进程的读端也即是fd[0]，关闭父进程的写端也就是fd[1]

还有一点十分重要：文件描述符数组（pipefd）是创建子进程之前就有的，而且调用pipe函数之后，数组内容就没有改变过，所以不发生写时拷贝，所以数组是父子进程共有的。但是files struct是父子进程各自拥有的,对子进程来说close(fd[0])，就相当于抹杀了子进程对该文件的读权限

为了观察方便，对父子进程都是用死循环。子进程每隔一秒读入一段信息this is the data that the child process wrote用来证明子进程写入了数据；对于父进程则取读取数据，一旦读完数据，就输出the father process got the information，用来证明父进程读取到了数据

#include  <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
  int  pipefd[2]={0};
   pipe(pipefd);
  pid_t id=fork();
  if(id==0)//child
  {
    close(pipefd[0]);
    const char* msg="This is the data that the child process wrote";
    while(1)
    {
        write(pipefd[1],msg,strlen(msg));
        sleep(1);
    }     
  }
  else//father
  {
    close(pipefd[1]);
    char buffer[64];
    while(1)
    {
        ssize_t ret=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(ret>0)//判断是否读到
        {
            buffer[ret]='\\0';//加上结束标志，便于输出
            printf("The father process got the information:%s\\n",buffer);
        }
    }
  }
  return 0;
}

效果如下，这样就完成了一个最简单的进程间通信

D：管道四大特性

特性一：如果写端（这里是子进程）不关闭文件描述符，且不写入（简称为读端条件不就绪），那么读端可能会长时间阻塞（当管道有历史数据时会先读完，管道为空，且写端不写入会长时间堵塞），也就是读端快，写端慢

比如，将上面例子中，子进程的睡眠由1秒提升至5秒，就会发现虽然父进程在死循环且没有睡眠的情况下，也会和子进程同步

特性二：当写端在写入时，写端条件不就绪（比如管道已经满了），写端就要被阻塞，也就是写端快，读端慢

比如，修改上面的例子如下，在子进程中使用cout查看子进程写入管道的次数，然后父进程每隔1s读取一次

#include  <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
  int  pipefd[2]={0};
  pipe(pipefd);

  pid_t id=fork();
  if(id==0)//child
  {
    close(pipefd[0]);
    const char* msg="This is the data that the child process wrote";
    int cout=0;//统计次数
    while(1)
    {
        write(pipefd[1],msg,strlen(msg));
        printf("The number of times the child process writes:%d\\n",cout++);
    }
      
  }
  else//father
  {
    close(pipefd[1]);

    char buffer[64];
    while(1)
    {
        ssize_t ret=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(ret>0)
        {
            buffer[ret]='\\0';
            printf("The father process got the information:%s\\n",buffer);
            sleep(1);
        }
    }
  }
  return 0;
}

效果如下，写端瞬间将管道充满，然后读端慢慢的从管道中读数据

特性三：如果写端关闭文件描述符，那么读端当读完管道内容后，或读到文件结尾（此时read的返回值是0）

如下，当子进程读入上次后，关闭子进程的写端，跳出循环退出子进程，父进程仍旧每秒从管道中读取数据一次，并且输出read接口的返回值

#include  <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
  int  pipefd[2]={0};
  pipe(pipefd);

  pid_t id=fork();
  if(id==0)//child
  {
    close(pipefd[0]);
    const char* msg="This is the data that the child process wrote";
    int cout=0;
    while(1)
    {
        write(pipefd[1],msg,strlen(msg));
        printf("The number of times the child process writes:%d\\n",cout++);
        if(cout==10)
        {
          close(pipefd[1]);//读10次后关闭写端
          break;
        }
    }
    exit(2);
      
  }
  else//father
  {
    close(pipefd[1]);

    char buffer[64];
    while(1)
    {
        ssize_t ret=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(ret>0)
        {
            buffer[ret]='\\0';
            printf("The father process got the information:%s\\n",buffer);
            sleep(1);
        }
        printf("the father process read the end of file which the return value of 'read' is %ld\\n",ret);//read接口的返回值
    }
  }
  return 0;
}


刷屏太快，将其重定向到文件中。

对比特性一，特性一中是写端不关闭文件描述符还写的特别慢，因此读端也被牵制住，造成读端堵塞。而当写端文件描述符关闭之后，这个管道文件唯一的输入来源就切断了，因此如果不给其结束标记，那么就会造成读端永久阻塞

特性四：如果读端关闭文件描述符，那么写端有可能被操作系统结束掉

如下，让子进程不断写入数据，让父进程读取5次数据后，就关闭读端，使用如下脚本观察进程

while :; do ps axj | grep test.exe | grep -v grep; echo "#######################";sleep 1;done

#include  <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
  int  pipefd[2]={0};
  pipe(pipefd);

  pid_t id=fork();
  if(id==0)//child
  {
    close(pipefd[0]);
    const char* msg="This is the data that the child process wrote";
    int cout=0;
    while(1)
    {
        write(pipefd[1],msg,strlen(msg));
        printf("The number of times the child process writes:%d\\n",cout++);
    }  
      
  }
  else//father
  {
    close(pipefd[1]);

    char buffer[64];
    int cout=0;
    while(1)
    {
        ssize_t ret=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(ret>0)
        {
            buffer[ret]='\\0';
            printf("The father process got the information:%s\\n",buffer);
            sleep(1);
            cout++;
        }
        if(cout==5)
        {
            close(pipefd[0]);//读5次后就关闭读端
        }
    }
  }
  return 0;
}

可以很明显当父进程读5次后，子进程退出，变为了僵尸状态

当读端关闭之后，就没有进程读取数据了，那么写入的操作就变成了一种无用操作，所以操作系统发现了这种浪费资源的行为后，就发送了13号信号，结束了子进程

根据前面的进程等待的知识，我们也可以获取退出信号，正是SIGPIPE

E：管道的特点

  1. 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使用该管道
  2. 管道提供流式服务。所谓流式服务就是读端在读取时可以任意读取，想读多少就读多少，就像水龙头一样，你想开多大完全取决于你
  3. 一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期跟随进程
  4. 由特性1，2可知，管道之间具有同步和互斥的机制
  5. 管道是半双工的，数据只能向一个方向流动

F：从内核角度理解管道

Linux下一切皆文件

如下便是进程打开的文件的file结构体，其中有一个结构体path

跳转过去，其中的dentry表示该file所在的目录结构体

跳转过去，当找到其所在的目录后，其结构体内就存储了目录的inode

根据目录的inode可以找到目录的数据块，而之前说过目录中存储的就是文件名和inodei·映射关系，于是就可找到该文件file的inode，如下

而inode中有一个union，它是迎来标识文件类型的，可以发现第一个便是管道文件

G：管道总结

至此我们便可以从更深的层次中理解管道的本质。sleep 1000 | sleep 2000，分别是两个进程，它们的父进程均是bash，所以bash创建了管道，然后关闭了它对管道的通信，这两个sleep命令则利用管道进行通信

who | wc -l，bash创建了管道，who和wc利用管道通信，who发生输出了重定向，将输出重定向的管道文件中，wc发生了输入重定向，将输入来源从键盘更改为管道文件，Linux一切皆文件，这就管道的本质

（3）命名管道

A：命名管道和匿名管道的区别

前面说过，匿名管道的限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信，而不适合与毫无相干的两个进程

如果我们想在两个不相干的进程之间进行通信，可以使用FIFO文件完成，也被称为命名管道，命名管道实际是一种类型为“p”的文件

B：如何创建命名管道

匿名管道由pipe函数创建并打开，命名管道则有mkfifo函数创建
命名管道可以从命令行上创建

mkfifo filename

也可以从程序中创建，其函数原型为

int mkfifo(const char* filename,modet_t mode);
//filename是创建管道文件的路径+文件名
//mode是权限值

C：演示-管道实现服务端和客户端的通信

如下我将虚拟机中的centos系统作为服务端，在其上创建一个文件叫做server.c，服务端用来读取数据。
在Windows中，以Windows作为客户端，客户端用来写入数据，利用xshell远程登录主机，然后创建一个文件client.c。这就像xshell是QQ窗口，我像Linux主机，也就是腾讯服务器发送消息，然后服务端回传回来。虽然不是特别准确，但是足以说明命名管道在·的作用

Makefile如下

.PHONY:all
all:client.exe server.exe 

client.exe:client.c
	gcc -o $@ $^
server.exe:server.c
	gcc -o $@ $^

.PHONY:clean
clean:
	rm client.exe server.exe fifo


首先编写服务端代码，服务端中利用mkfifo创建管道文件，然后打开这个管道文件，不断读取数据

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
  umask(0);//屏蔽命令行umask干扰
  if(mkfifo("./fifo",0666)==-1)//如果mkfifo返回值是-1，创建失败
  {
    perror("打开失败");
    return 1;
  }
  int fd=open("fifo",O_RDONLY);//服务端以只读的方式打开管道文件
  if(fd>=0)
  {
    char buffer[64];
    while(1)
    {
      printf("客户端正在接受消息\\n");
      printf("############################\\n");
      ssize_t ret=read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);
      if(ret>0)
      {
          buffer[ret]='\\0';
          printf("服务端接受到客户端消息：%s\\n",buffer);
      }
      else if(ret==0)//如果客户端退出，将会读到文件结束，所以服务端也要退出
      {
          printf("客户端已经下线，服务端下线\\n");
          break;
      }
      else 
      {
        perror("读取失败\\n");
        break;
      }
    }
  }
}

在客户端则直接打开管道文件，然后写入数据

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>


int main()
{
  int fd=open("fifo",O_WRONLY);//直接打开管道文件
  if(fd>=0)
  { 
      char buffer[64];//从键盘读入数据到这个缓冲区
      while(1)
      { 
          printf("客户端-请输入消息：");
          ssize_t ret=read(0,buffer,sizeof(buffer)-1
以上是关于(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节4：进程通信（配合Linux）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 

 (王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节3：进程控制（配合Linux讲解）


 (王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节1：进程PCB及其特征


 (王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节5：线程概念和多线程模型


 专栏必读王道考研408操作系统万字笔记（有了它不需要你再做笔记了）：各章节内容概述导航和思维导图


 (王道408考研操作系统)第三章内存管理-第一节7：非连续分配管理方式之基本分段管理方式


 (王道408考研操作系统)第三章内存管理-第一节7：非连续分配管理方式之基本分段管理方式