IPC 進程間通信（一）：管道（匿名管道進程池）

1. 初識進程間通信

1.1進程間通信的目的：

1、數據傳輸：一個進程需要將它的數據發送給另一個進程
2、資源共享：多個進程之間共享同樣的資源
3、通知事件：一個進程需要向另一個或一組進程發送消息，通知它（它們）發生了某種事件（如進程終止時要通知父進程）

4、進程控制：有些進程希望完全控制另一個進程的執行（如Debug進程），此時控制進程希望能夠攔截另一個進程的所有陷入和異常，并能夠及時知道它的狀態改變

1.2 為什么要有進程間通信

為了實現兩個或者多個進程實現數據層面的交互，因為進程獨立性的存在，導致進程通信的成本比較高? ?很多場景下需要多個進程協同工作來完成要求。如下：

這條命令首先使用?cat??讀取?log.txt?的內容，然后通過管道?(|) 將輸出傳遞給?grep?命令。grep?用于搜索指定的字符串。
grep Hello:??這個命令搜索包含 "Hello" 的行。

1.3進程間通信的方式

管道（通過文件系統通信）

匿名管道pipe
命名管道?

System V IPC （聚焦在本地通信）

System V 消息隊列
System V 共享內存
System V 信號量

POSIX IPC （讓通信可以跨主機）

消息隊列
共享內存
信號量
互斥量
條件變量
讀寫鎖

注意：

?System V?標準需要重新構建操作系統代碼來實現進程通信，比較繁瑣。
在?System V?標準出現之前，而「管道通信」是直接復用現有操作系統的代碼
現在本地通信已經被網絡通信取代，所以進程間通信方式只重點介紹管道通信和共享內存通信

知識補充：

（1）進程間通信的本質：必須讓不同的進程看到同一份“資源”（資源：特定形式的內存空間）

（2）這個資源誰提供？一般是操作系統

為什么不是我們兩個進程中的一個呢？假設一個進程提供，這個資源屬于誰？
這個進程獨有，破壞進程獨立性，所以要借用第三方空間

（3）我們進程訪問這個空間，進行通信，本質就是訪問操作系統！

進程代表的就是用戶，資源從創建，使用（一般），釋放--系統調用接口！

2.匿名管道

2.1.什么是管道

進程可以通過讀/寫的方式打開同一個文件，操作系統會創建兩個不同的文件對象 file，但是文件對象 file 中的內核級緩沖區、操作方法集合等并不會額外創建，而是一個文件的文件對象的內核級緩沖區、操作方法集合等通過指針直接指向另一個文件的內核級緩沖區、操作方法集合等。

這樣以讀方式打開的文件和以寫方式打開的文件共用一個?內核級緩沖區

進程通信的前提是不同進程看到同一份共享資源

所以根據上述原理，父子進程可以看到同一份共享資源：被打開文件的內核級緩沖區。父進程向被打開文件的內核級緩沖區寫入，子進程從被打開文件的內核級緩沖區讀取，這樣就實現了進程通信！

這里也將被打開文件的內核級緩沖區稱為?「?管道文件」，而這種由文件系統提供公共資源的進程間通信，就叫做「?管道?」

注意：

此外，管道通信只支持單向通信，即只允許父進程傳輸數據給子進程，或者子進程傳輸數據給父進程。

當父進程要傳輸數據給子進程時，就可以只使用以寫方式打開的文件的管道文件，關閉以讀方式打開的文件，

同樣的，子進程只是用以讀方式打開的文件的管道文件，關閉掉以寫方式打開的文件。

父進程向以寫方式打開的文件的管道文件寫入，子進程再從以讀方式打開的文件的管道文件讀取，從而實現管道通信。如果是要子進程向父進程傳輸數據，同理即可。

管道特點總結：

一個進程將同一個文件打開兩次，一次以寫方式打開，另一次以讀方式打開。此時會創建兩個struct file，而文件的屬性會共用，不會額外創建
如果此時又創建了子進程，子進程會繼承父進程的文件描述符表，指向同一個文件，把父子進程都看到的文件，叫管道文件

管道只允許單向通信

管道里的內容不需要刷新到磁盤

2.2 創建匿名管道

匿名管道：沒有名字的文件(struct file)

匿名管道用于父子間通信，或者由一個父創建的兄弟進程（必須有“血緣“）之間進行通信

#include <unistd.h>
原型：int pipe(int fd[2]);功能:創建匿名管道
參數 fd：文件描述符數組,其中fd[0]表示讀端, fd[1]表示寫端
返回值:成功返回0，失敗返回錯誤代碼

使用如下：

int main()
{// 1. 創建管道int fds[2] = {0};int n = pipe(fds); // fds: 輸出型參數if(n != 0){std::cerr << "pipe error" << std::endl;return 1;}std::cout << "fds[0]: " << fds[0] << std::endl;std::cout << "fds[1]: " << fds[1] << std::endl;return 0;
}// 運行如下：
fds[0]: 3
fds[1]: 4

輸出型參數：文件的描述符數字帶出來，讓用戶使用-->3,4，因為0,1,2分別被stdin，stdout，stderr占用。

2.3 匿名管道通信案例（父子通信）

注意：匿名管道需要在創建子進程之前創建，因為只有這樣才能復制到管道的操作句柄，與具有親緣關系的進程實現訪問同一個管道通信

情況一：管道為空 && 管道正常（read 會阻塞【read 是一個系統調用】）

具體代碼演示如下：（子進程寫入，父進程讀取）

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <cstdlib>// 父進程 -- 讀取
// 子進程 -- 寫入
void write(std::string &info, int cnt)
{info += std::to_string(getpid());info += ", cnt: ";info += std::to_string(cnt);info += ')';
}int main()
{// 1. 創建管道int fds[2] = {0};int n = pipe(fds); // fds: 輸出型參數if (n != 0){std::cerr << "pipe error" << std::endl;return 1;}// 2. 創建子進程pid_t id = fork();if (id < 0){std::cerr << "fork error" << std::endl;return 2;}else if (id == 0){// 子進程// 3. 關閉不需要的 fd, 關閉 readint cnt = 0;while (true){close(fds[0]);std::string message = "(hello linux, pid: ";write(message, cnt);::write(fds[1], message.c_str(), message.size());cnt++;sleep(2);}exit(0);}else{// 父進程// 3. 關閉不需要的 fd, 關閉 writeclose(fds[1]);char buffer[1024];while(true){ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);if(n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;}}// 記錄退出信息pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);std::cout << "father wait chile success" << rid << std::endl;}return 0;
}

從上面可以知道：

子進程寫入的信息是變化的信息
父進程打印信息的時間間隔和子進程一樣，那么子進程沒傳入信息的時候，父進程處于阻塞?--> (IPC 本質：先讓不同的進程，看到同一份資源，可以保護共享資源)

情況二：管道為滿 && 管道正常（write 會阻塞【write 是一個系統調用】）

如下對代碼做點修改（紅框內的代碼）

管道有上限，Ubuntu?-> 64 KB

如果我們讓父進程正常讀取，那么結果又是怎樣的呢？

當我們到 65536 個字節時，管道已滿，父進程讀取了管道數據，子進程會繼續進行寫入，然后進行繼續讀取，就有點數據溢出的感覺

情況三：管道寫端關閉?&& 讀端繼續（讀端讀到0，表示讀到文件結尾）

代碼修改如下：

else if (id == 0)
{int cnt = 0, total = 0;while (true){close(fds[0]);std::string message = "h";// fds[1]total += ::write(fds[1], message.c_str(), message.size());cnt++;std::cout << "total: " << total << std::endl; // 最后寫到 65536 個字節sleep(2);break; // 寫端關閉}exit(0);
}
else
{// 父進程// 3. 關閉不需要的 fd, 關閉 writeclose(fds[1]);char buffer[1024];while (true) {sleep(1);ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);if (n > 0) {buffer[n] = 0;std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;}else if (n == 0) {std::cout << "n: " << n << std::endl;std::cout << "child quit??? me too " << std::endl;break;}std::cout << std::endl;}pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);std::cout << "father wait chile success" << rid << std::endl;
}

結論：如果寫端關閉，讀端讀完管道內部數據，再讀取就會讀取到返回值 0，表示對端關閉，也表示讀到文件結尾

情況四：管道寫端正常?&& 讀端關閉（OS 會直接殺掉寫入進程）

情況二：

如何殺死呢？

a. OS 會給目標進程發送信號：13) SIGPIPE

b. 證明如下；

else if (id == 0)
{int cnt = 0, total = 0;while (true){close(fds[0]);std::string message = "h";// fds[1]total += ::write(fds[1], message.c_str(), message.size());cnt++;std::cout << "total: " << total << std::endl; // 最后寫到 65536 個字節sleep(2);}exit(0);
}
else
{close(fds[1]);char buffer[1024];while (true){sleep(1);ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);if (n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;}else if (n == 0){std::cout << "n: " << n << std::endl;std::cout << "child quit??? me too " << std::endl;break;}close(fds[0]); // 讀端關閉break;std::cout << std::endl;}// 記錄退出信息int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);std::cout << "father wait chile success: " << rid << " exit code: " <<((status << 8) & 0xFF) << ", exit sig: " << (status & 0x7F) << std::endl;
}