[OS-Linux]详解Linux的进程间通信1------管道

Posted 2021-12-07 TT在长大

本文详解了Linux中进程间通信，包括了进程间通信的介绍，匿名管道和命名管道。

目录

一、进程间通信的介绍

1. 进程间通信目的

2. 进程间通信分类

二、管道

1. 管道是什么

2. 匿名管道

   (1)pipe

 （2）实现

 （3）用fork来共享管道原理

 （4）从文件描述符角度理解管道 

 （5）在内核角度理解管道

3.管道读写规则

4.管道特点 

5.命名管道 

（2）匿名管道与命名管道的区别

（3）命名管道的打开规则

（4）用命名管道实现server&client通信

---

一、进程间通信的介绍

进程在运行时是具有独立性的，进程间通信一般要借助OS的资源。本质就是“数据拷贝”

1. 进程间通信目的

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。

2. 进程间通信分类

（1）管道

        匿名管道
        命名管道
（2）System V进程间通信

        System V 消息队列
        System V 共享内存
        System V 信号量
（3）POSIX进程间通信

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

二、管道

1. 管道是什么

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。

一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”

2. 匿名管道

匿名管道用于进程之间通信，且仅限于本地父子进程之间通信，结构简单，类似于一根水管，一端进水另一端出水(单工)。

由于匿名管道是单工的，所以为实现父子进程双向通信需要创建两根管道，并由子进程继承一根管道的读句柄和另一根管道的写句柄。

(1)pipe

原型:

#include <unistd.h>

int pipe(int fd[2]);

功能:创建一匿名管道

参数: fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端

返回值:成功返回0，失败返回错误代码

​

（2）实现

写入管道，读取管道，写到屏幕

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>


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

  if(pipe(fd) < 0)
  {
    printf("pipe error\\n");
    return 1;
  }
  
  pid_t id = fork();    //创建子进程
  if(id == 0)
  {
    close(fd[0]);         //关闭读
    const char *msg = "hi,i am chlid!";
    int count = 30;
    while(count)
    {
      write(fd[1], msg, strlen(msg));     //向fd[1]写入
      --count;
      sleep(1);
    }

    close(fd[1]);
    exit(0);
  }

  close(fd[1]);           //关闭写

  char buff[64];
  while(1)
  {
    ssize_t s = read(fd[0], buff, sizeof(buff));

    if(s > 0)   //读取成功
    {
      buff[s] = '\\0';
      printf("child to father # %s\\n", buff);
    }
    else if(s == 0)   //读取结束
    {
      printf("end\\n");
      break;
    }
    else              //读取失败
    {
      printf("read error\\n");
      break;
    }
  }

  waitpid(id, NULL, 0);   //等待子进程
  
  return 0;
}

​

（3）用fork来共享管道原理

fork之后会关闭各自不用的描述符。 

​

（4）从文件描述符角度理解管道 

a.父进程创建管道

​

b.fork子进程

​ 

c.父进程关闭fd[0],子进程关闭fd[1]

​

 （5）在内核角度理解管道

​

管道的使用和文件一致，Linux一切皆文件。 

3.管道读写规则

（1）当没有数据可读时：
        O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。
        O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。
（1）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：调用返回-1，errno值为EAGAIN
（1）如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0。
（1）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。
（1）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。

4.管道特点 

（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、子进程之间就可应用该管道。
（2）管道提供流式服务
（3）一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程
（4）一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥
（5）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

5.命名管道 

匿名管道应用的一个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。如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。命名管道是一种特殊类型的文件。

（1）创建一个命名管道

命名管道可以从命令行上创建，命令行方法是使用下面这个命令：

mkfifo filename

命名管道也可以从程序里创建，相关函数有：

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

创建命名管道:

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

（2）匿名管道与命名管道的区别

a.匿名管道由pipe函数创建并打开。
b.命名管道由mkfifo函数创建，打开用open
c.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。

（3）命名管道的打开规则

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
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

（4）用命名管道实现server&client通信

makefile

.PHONY:all
all:client server

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

.PHONY:clear
clear:
	rm client server

comm.h

#pragma once 

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

#define FILE_NAME "myfifo"

server.c

#include"comm.h"

int main()
{
  if(mkfifo(FILE_NAME, 0644) < 0){    //创建命名文件
      perror("myfifo\\n");
      return 1;
  }

  int fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY); //打开文件
  if(fd < 0){
      perror("file error\\n");
      return 2;
  }

  char msg[128];
  while(1){

      msg[0] = '\\0';

      ssize_t s = read(fd, msg, sizeof(msg) - 1);   //读管道文件
      if(s > 0){
          msg[s] = 0;
          printf("client to serve # %s", msg);
      }else if(s == 0){
          printf("read end\\n");
          break;
      }else{
          perror("read error\\n");
          break;
      }
  }

  close(fd);

  return 0;
}

client.c
 

#include"comm.h"
#include<string.h>

int main()
{
  int fd = open(FILE_NAME, O_WRONLY);
  if(fd < 0)
  {
    printf("open error\\n");
    return 1;
  }

  char msg[128];
  while(1){
      msg[0] = 0;
      printf("Please Enter# ");
      fflush(stdout);       //刷新缓冲区

      ssize_t s = read(0, msg, sizeof(msg));    //键盘读取

      if(s > 0){
          msg[s] = 0;
          write(fd, msg, strlen(msg));          //写
      }
  }

  close(fd);
  return 0;
}

结果：

 可以看到两个进程实现了通信。