【Linux】進程間通信——進程間通信的介紹和分類、管道、匿名管道、命名管道、匿名管道與命名管道的區別

文章目錄

進程間通信
- 1.進程間通信的介紹
- - 1.1目的和發展
- 2.進程間通信分類
- 3.管道
- - 3.1匿名管道
  - - 3.1.1匿名管道的原理（文件角度）
    - 3.1.2匿名管道的原理（內核角度）
    - 3.1.3管道讀寫規則
    - 3.1.4管道特點
  - 3.2命名管道
  - - 3.2.1創建命名管道
    - 3.2.2命名管道的打開規則
- 4.命名管道實現server&client通信

進程間通信

1.進程間通信的介紹

??進程間通信（IPC，Interprocess communication）是一組編程接口，讓程序員能夠協調不同的進程，使之能在一個操作系統里同時運行，并相互傳遞、交換信息。這使得一個程序能夠在同一時間里處理許多用戶的要求。因為即使只有一個用戶發出要求，也可能導致一個操作系統中多個進程的產生。進程間通信可以發生在同一臺機器上的不同進程間，也可以發生在不同機器上的進程間。
??

1.1目的和發展

??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。
??
??發展：

??管道 -> System V進程間通信 -> POSIX進程間通信。
??

2.進程間通信分類

??管道：匿名管道、命名管道

??System V IPC：System V 消息隊列、System V 共享內存、System V 信號量

??POSIX IPC：消息隊列、共享內存、信號量、互斥量、條件變量、讀寫鎖
??

3.管道

??管道是Unix中最古老的進程間通信的形式。我們把從一個進程連接到另一個進程的一個數據流稱為一個“管道”。
在這里插入圖片描述
??

3.1匿名管道

??匿名管道的原理:

??匿名管道的原理是使用pipe函數創建管道，并在父進程中得到兩個文件描述符，一個用于從管道讀數據，另一個用于向管道寫數據。 子進程在創建時會自動繼承這兩個文件描述符，從而可以實現父子進程間的數據交換。

#include <unistd.h>//功能:創建一無名管道//原型
int pipe(int fd[2]);//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

在這里插入圖片描述

//例子：從鍵盤讀取數據，寫入管道，讀取管道，寫到屏幕
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main( void )
{int fds[2];char buf[100];int len;if ( pipe(fds) == -1 )perror("make pipe"),exit(1);// read from stdinwhile ( fgets(buf, 100, stdin) ) {len = strlen(buf);// write into pipeif ( write(fds[1], buf, len) != len ){perror("write to pipe");break;}memset(buf, 0x00, sizeof(buf));// read from pipeif ( (len=read(fds[0], buf, 100)) == -1 ) {perror("read from pipe");break;}// write to stdoutif ( write(1, buf, len) != len ) {perror("write to stdout");break;}}
}

3.1.1匿名管道的原理（文件角度）

??匿名管道的原理從文件角度來說，是利用內存中共享的一段緩沖區，以文件的方式對緩沖區實現。但因為該文件只存在于內存中，沒有唯一命名，所以稱為匿名管道。

??具體來說，父進程創建管道文件描述符，然后通過fork創建子進程。子進程繼承了父進程的文件描述符，這樣父子進程就可以通過這個文件描述符進行通信。 由于管道是半雙工方式，數據傳輸的方向是單向的，所以如果需要進行雙向通信，需要創建兩個管道。

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3.1.2匿名管道的原理（內核角度）

??從內核角度來說，匿名管道的原理是利用內核緩沖區作為偽文件，這個緩沖區由讀端和寫端兩部分組成，對應兩個文件描述符。數據從寫端流入，從讀端流出。

??匿名管道的內部實現方式是隊列，而且是環形隊列。這種隊列的特性是先進先出，即一端入隊，另一端出隊，即只能從一端寫入，另一端讀出。緩沖區的大小默認是4k字節，但會根據實際情況做適當調整。

??由于用隊列實現，數據只能讀取一次，不能重復讀取。另外，匿名管道是半雙工方式，數據傳輸的方向是單向的。此外，匿名管道只適用于有血緣關系的進程，如父子進程、兄弟進程等。

在這里插入圖片描述

這也符合了Linux的一切皆文件的思想

??
??父進程tast_struct中有指向file_struct的指針 *file，其中files_struct是一個struct file *fd_array[]，這個array的數組中指向了各種的文件。同時創建子進程，子進程是父進程的一份拷貝，所以此時父進程指向的文件，子進程也同樣會指向該文件，進程間通信的前提完成：讓不同的文件看到同一份資源。

??
在這里插入圖片描述
??

??接著，我們可以進行不同進程間的通信了，如果我們想要先讓子進程寫入，父進程讀取。則我們可以在父進程和子進程所指的同一個文件中，進行不同的操作：讓子進程在文件緩沖區中寫入數據，讓父進程在同樣的文件緩沖區中讀取數據。即可完成通過使用管道的通信操作（所以管道也是文件）。

在這里插入圖片描述
??

3.1.3管道讀寫規則

??（1）當沒有數據可讀時
??O_NONBLOCK disable：read調用阻塞，即進程暫停執行，一直等到有數據來到為止。
??O_NONBLOCK enable：read調用返回-1，errno值為EAGAIN。

??（2）當管道滿的時候
??O_NONBLOCK disable： write調用阻塞，直到有進程讀走數據。
??O_NONBLOCK enable：調用返回-1，errno值為EAGAIN。

??（3）如果所有管道寫端對應的文件描述符被關閉， 則read返回0。

??（4）如果所有管道讀端對應的文件描述符被關閉， 則write操作會產生信號SIGPIPE,進而可能導致write進程退出。

??（5）當要寫入的數據量不大于PIPE_BUF時，linux將保證寫入的原子性。

??（6）當要寫入的數據量大于PIPE_BUF時，linux將不再保證寫入的原子性。

3.1.4管道特點

??（1）只能用于具有共同祖先的進程（具有親緣關系的進程）之間進行通信； 通常，一個管道由一個進程創建，然后該進程調用fork，此后父、子進程之間就可應用該管道。

??（2）管道提供流式服務。

??（3）一般而言，進程退出，管道釋放，所以管道的生命周期隨進程。

??（4）一般而言，內核會對管道操作進行同步與互斥。

??（5）管道是半雙工的，數據只能向一個方向流動； 需要雙方通信時，需要建立起兩個管道。

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??

3.2命名管道

??命名管道的介紹：

??Linux命名管道是一種特殊的文件類型，它允許不具有親緣關系的進程之間進行通信。命名管道存在于文件系統中，但同時具有管道的優點，可以用于進程間通信。進程通過操作命名管道文件進行數據交換。

??命名管道的創建可以使用命令行工具（如mkfifo命令）或者在編程語言中的調用系統調用接口（如mkfifo函數）來創建。 創建好命名管道之后，可以使用open()和read/write()函數來讀取和寫入數據。

??在數據傳輸方面，命名管道的數據傳輸不會寫入磁盤，而是在內存中進行傳遞。命名管道允許多個進程通過使用相同的管道名稱進行通信，而不僅僅是兩個進程之間的通信。與普通管道一樣，命名管道中的數據也是臨時存儲在內存中的。

3.2.1創建命名管道

??命名管道可以從命令行上創建：

$ mkfifo filename

??
??命名管道也可以從程序里創建，相關函數有：

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

??
??創建命名管道:

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

??
??匿名管道與命名管道的區別：

??（1）匿名管道由pipe函數創建并打開。

??（2）命名管道由mkfifo函數創建，打開用open。

??（3）FIFO（命名管道）與pipe（匿名管道）之間唯一的區別在它們創建與打開的方式不同，一但這些工作完成之后，它們具有相同的語義。

3.2.2命名管道的打開規則

??（1）如果當前打開操作是為讀而打開FIFO時
??O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相應進程為寫而打開該FIFO。
??O_NONBLOCK enable：立刻返回成功。

??（2）如果當前打開操作是為寫而打開FIFO時
??O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相應進程為讀而打開該FIFO。
??O_NONBLOCK enable：立刻返回失敗，錯誤碼為ENXIO。

4.命名管道實現server&client通信

測試實現：

在這里插入圖片描述
??

comm.hpp

#pragma once#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<cerrno>
#include<string>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>#define FIFO_FILE "./myfifo"
#define MODE 0664enum{FIFO_CREATE_ERR=1,FIFO_DELETE_ERR=2,FIFO_OPEN_ERR=3
};

??
Makefile

.PHONY:all
all:server client
server:server.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
client:client.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:rm -f client server myfifo

??
server.cc

//#include<iostream>
#include"comm.hpp"using namespace std;//管理管道文件
int main()
{//創建信道int n=mkfifo(FIFO_FILE,MODE);if(n==-1){perror("mkfifo");exit(FIFO_CREATE_ERR);}//sleep(5);//打開信道int fd=open(FIFO_FILE,O_RDONLY);if(fd<0){perror("open");exit(FIFO_OPEN_ERR);}cout<<"server open file done"<<endl;//開始信道while(true){char buffer[1024]={0};int x=read(fd,buffer,sizeof(buffer));if(x>0){buffer[x]=0;cout<<"client say#"<<buffer<<endl;}else if(x==0){cout<<"clinet quit,me too!\n"<<endl;break;} else break;}close(fd);int m=unlink(FIFO_FILE);if(m==-1){perror("unlink");exit(FIFO_DELETE_ERR);}return 0;
}

??
client.cc

#include<iostream>
#include"comm.hpp"using namespace std;int main()
{int fd=open(FIFO_FILE,O_WRONLY);if(fd<0){perror("open");exit(FIFO_OPEN_ERR);}string line;while(true){cout<<"Please Enter@";//cin>>line;getline(cin,line);write(fd,line.c_str(),line.size());}close(fd);return 0;
}