Linux篇第十一篇——进程间通信（管道+system V共享内存）

Posted 2022-04-12 呆呆兽学编程

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux篇第十一篇——进程间通信（管道+system V共享内存）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

⭐️ 本篇博客要给大家介绍一些关于进程间通信的一下知识。Linux下进程通信常见的几种方式，例如管道、共享内存等。

🌏介绍

概念： 进程间通信（IPC，Interprocess communication）是一组编程接口，让程序员能够协调不同的进程，使之能在一个操作系统里同时运行，并相互传递、交换信息。这使得一个程序能够在同一时间里处理许多用户的要求。IPC方法包括管道（PIPE）、消息排队、旗语、共用内存以及套接字（socket）（本篇博客只介绍共享内存和管道两种）。
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，通知某些或某个进程发生了某种事件（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

如何实现通信？
要让两个不同的进程实现通信，前提条件是让它们看到同一份资源。所以要想办法让他们看到同一份资源，就需要采取一些手段，可以分为下面几种
通信方式分类：

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

🌲认识管道

概念： 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”。它的特点是单向传输数据的，先进先出。
管道相信大家之前都知道一些。我们之前也会用到管道命令‘|’。例如：cat file.txt | head -1。
cat是一个进程，这个进程先处理，然后将处理后得到的标准输出到管道中，再由head进程通过标准输入将管道中的数据读出，再进行处理。

🌲匿名管道

概念： 匿名管道用于进程之间通信，这两个进程需要具有亲缘关系（父子进程等）。

🍯创建匿名管道——pipe

这里介绍一个系统调用接口——pipe。

功能： 创建一个匿名管道
函数原型：
#include <unistd>
int pipe(int pipefd[2])
参数：
fd：文件描述符数组，这是一个输出型参数，fd[0]表示读端，fd[1]表示写端
返回值：
创建管道成功返回0，失败返回-1

匿名管道创建原理：
调用pipe函数后，OS会在fd_array数组中分配两个文件描述符给管道，一个是读，一个是写，并把这两个文件描述符放到用户传进来的数组中，fd[0]代表管道读端，fd[1]代表管道写端。这样一个管道就创建好了。

实例演示：
实例1： 观察fd[0]和fd[1]的值

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

int main()

	int pipefd[2];
	int ret = pipe(pipefd);
	if (ret == -1)
	  // 管道创建失败
	  perror("make piep");
	  exit(-1);
	
	// 成功返回0
	// pipefd[0] 代表读端
	// pipefd[1] 代表写端
	printf("fd[0]:%d, fd[1]:%d\\n", pipefd[0], pipefd[1]);
	return0;

代码运行结果： 显然，pipefd这个数组里面放的是两个文件描述符

实例2： 尝试使用管道读写数据

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

int main()

	  int pipefd[2];
	  int ret = pipe(pipefd);
	  if (ret == -1)
	    // 管道创建失败
	    perror("make piep");
	    exit(-1);
	  
	
	  char buf[64] = "hello world";
	  // 写数据
	  write(pipefd[1], buf, sizeof(buf)/sizeof(buf[0]));
	  // 读数据
	  buf[0] = 0;// 清空buf
	  ssize_t s = read(pipefd[0], buf, 11);
	  buf[s] = '\\0';
	  printf("%s\\n", buf);
	  return 0;

代码运行结果如下： 可以看出，管道也可以读写数据，和文件使用方法是一致的

上面介绍的都是关于管道如何创建，接下来就要介绍如何使用管道进行通信。

🍯管道的本质

Linux下一切皆文件，看待管道，其实时可以像看待文件一样。且管道和文件使用方法是一致的。管道的生命周期随进程。

🍯使用匿名管道进行通信

匿名管道是提供给有亲缘关系两个进程进行通信的。所以我们可以在创建管道之后通过fork函数创建子进程，这样父子进程就看到同一份资源，且父子进程都有这个管道的读写文件描述符。我们可以关闭父进程的读端，关闭子进程的写端，这样子进程往管道里面写数据，父进程往管道里面读数据，这样两个进程就可以实现通信了。
具体过程如下：

父进程创建管道
foek创建子进程
关闭父进程的写端，子进程的读端

实例演示： 子进程每隔1秒往管道里面写数据，父进程每隔1秒往管道里读数据

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

int main()

  int pipefd[2];
  int ret = pipe(pipefd);
  if (ret == -1)
    // 管道创建失败
    perror("make piep");
    exit(-1);
  
  pid_t id = fork();
  if (id < 0)
    perror("fork failed");
    exit(-1);
  
  else if (id == 0)
    // child
    // 关闭读端
    close(pipefd[0]);
    const char* msg = "I am child...!\\n";
    //int count = 0;
    // 写数据
    while (1)
      ssize_t s = write(pipefd[1], msg, strlen(msg));
      printf("child is sending message...\\n");
      sleep(1);
    
  
  else
    // parent
    close(pipefd[1]);
    char buf[64];
    while (1)
      ssize_t s = read(pipefd[0], buf, sizeof(buf)/sizeof(buf[0])-1);
      if (s > 0)
        buf[s] = '\\0';// 字符串后放一个'\\0'
        printf("father get message:%s", buf);
      
      else if (s == 0)
        // 读到文件结尾  写端关闭文件描述符 读端会读到文件结尾
        printf("father read end of file...\\n ");
      
      sleep(1);
    
  

  return 0;

代码运行结果如下：

🍯匿名管道的读写规则

在这里我们分四种情况来进行研究：

写端速度小于读端速度，管道大部分时间内为空，即读条件不满足 让子进程每5秒写一次，父进程每1秒读一次，观察现象

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

int main()

  int pipefd[2];
  int ret = pipe(pipefd);
  if (ret == -1)
    // 管道创建失败
    perror("make piep");
    exit(-1);
  
  pid_t id = fork();
  if (id < 0)
    perror("fork failed");
    exit(-1);
  
  else if (id == 0)
    // child
    // 关闭读端
    close(pipefd[0]);
    const char* msg = "I am child...!\\n";
    //int count = 0;
    // 写数据
    while (1)
      ssize_t s = write(pipefd[1], msg, strlen(msg));
      sleep(5);// 管道大部分时间是空的，读条件不满足时，读端处于阻塞状态
      printf("child is sending message...\\n");
    
  
  else
    // parent
    close(pipefd[1]);
    char buf[64];
    //int count = 0;
    while (1)
      ssize_t s = read(pipefd[0], buf, sizeof(buf)/sizeof(buf[0])-1);
      if (s > 0)
        buf[s] = '\\0';// 字符串后放一个'\\0'
        printf("father get message:%s", buf);
      
      else if (s == 0)
        // 读到文件结尾  写端关闭文件描述符 读端会读到文件结尾
        printf("father read end of file...\\n ");
      
      sleep(1);
    
  

  return 0;

代码运行结果如下： 读端处于阻塞

总结： 当读条件不满足时，读端进程会处于阻塞，从task_struct会从运行队列调到等待队列，知道有数据来，才会转移到运行队列中。

写端速度大于读端速度，管道大部分时间内是满的，即写调整不满足 让子进程一直，父进程每5秒读一次，观察现象
这里这方核心代码，在上面那个例子的代码进行了一定改造

pid_t id = fork();
if (id < 0)
  perror("fork failed");
  exit(-1);

else if (id == 0)
  // child
  // 关闭读端
  close(pipefd[0]);
  const char* msg = "I am child...!\\n";
  //int count = 0;
  // 写数据
  while (1)
    ssize_t s = write(pipefd[1], msg, strlen(msg));
    printf("child is sending message...\\n");
  

else
  // parent
  close(pipefd[1]);
  char buf[64];
  //int count = 0;
  while (1)
    ssize_t s = read(pipefd[0], buf, sizeof(buf)/sizeof(buf[0])-1);
    if (s > 0)
      buf[s] = '\\0';// 字符串后放一个'\\0'
      printf("father get message:%s", buf);
    
    else if (s == 0)
      // 读到文件结尾  写端关闭文件描述符 读端会读到文件结尾
      printf("father read end of file...\\n ");
      sleep(5);// 管道大部分时间都是满的，写条件不满足时，写端处于阻塞状态

代码运行结果如下： 写端写了一会后，管道满了，此时写端处于阻塞状态

总结： 当写条件不满足时，写端处于阻塞状态

关闭写端 让写端先写5秒，然后关闭写端，观察现象

// child
// 关闭读端
close(pipefd[0]);
const char* msg = "I am child...!\\n";
int count = 0;
// 写数据
while (1)
  ssize_t s = write(pipefd[1], msg, strlen(msg));
  printf("child is sending message...\\n");
  
  printf("CHILD: %d\\n", count++);
  if (count == 5)
    close(pipefd[1]);
    exit(-1);
 
  sleep(1);

// parent
close(pipefd[1]);
char buf[64];
while (1)
  ssize_t s = read(pipefd[0], buf, sizeof(buf)/sizeof(buf[0])-1);
  if (s > 0)
    buf[s] = '\\0';// 字符串后放一个'\\0'
    printf("father get message:%s", buf);
    sleep(5);// 管道大部分时间都是满的，写条件不满足时，写端处于阻塞状态
  
  else if (s == 0)
    // 读到文件结尾  写端关闭文件描述符 读端会读到文件结尾
    printf("father read end of file...\\n ");

代码运行结果如下： 3s后，关闭写端，读端会读到文件结尾

总结： 如果关闭写端，读端进程会读到文件结尾

关闭读端 5秒后关闭读端

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

int main()

  int pipefd[2];
  int ret = pipe(pipefd);
  if (ret == -1)
    // 管道创建失败
    perror("make piep");
    exit(-1);
  

  pid_t id = fork();
  if (id < 0)
    perror("fork failed");
    exit(-1);
  
  else if (id == 0)
    // child
    // 关闭读端
    close(pipefd[0]);
    const char* msg = "I am child...!\\n";
    // int count = 0;
    // 写数据
    while (1)
      ssize_t s = write(pipefd[1], msg, strlen(msg));
      printf("child is sending message...\\n");
      
      sleep(1);
    
  
  else
    // parent
    close(pipefd[1]);
    char buf[64];
    int count = 0;
    while (1)
      ssize_t s = read(pipefd[0], buf, sizeof(buf)/sizeof(buf[0])-1);
      if (s > 0)
        buf[s] = '\\0';// 字符串后放一个'\\0'
        printf("father get message:%s", buf);
        //sleep(5);// 管道大部分时间都是满的，写条件不满足时，写端处于阻塞状态
      
      else if (s == 0)
        // 读到文件结尾  写端关闭文件描述符 读端会读到文件结尾
        printf("father read end of file...\\n ");
      
      sleep(1);
      if (count++ == 3)
        close(pipefd[0]);// 读端关闭文件描述符，写端进程后序会被操作系统直接杀掉，没有进程读，写时没有意义的
        break;
      
    
    int status;
    pid_t ret = waitpid(id, &status, 0);
    if (ret > 0)
      // 等待成功
      printf("child exit singal is %d\\n", status&0x7f);
    
    else
      // 等待失败
      perror("wait failed");
      exit(-1);
    
  

  return 0;

代码运行结果如下： 可以看出，关闭读端后，子进程收到操作系统发送的13号信号（SIGPIPE）杀死

总结： 读端关闭，写端进程会被操作系统发送信号杀死。
为什么写端进程会被OS杀死？

操作系统不做任何浪费空间和低效的事情，如果读端关闭，那么写还有什么意义呢？所以操作系统会通过信号把写端进程干掉

读写规则总结：

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
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