010 Linux 进程间通信_匿名管道

前言

本文将会向你介绍匿名管道的原理以及用法，以及管道的使用存在的情况和管道的特性

文章重点

重点：匿名管道的原理，使用情况，以及特性

进程间通信

进程间通信的本质：

让不同的进程先看到同一份资源，这个资源不能由A，B进程提供，但能够被进程申请，资源通常都是由OS提供

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，通知它（它们）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

进程间通信分类

一、管道
匿名管道pipe
命名管道
二、System V IPC
System V 消息队列
System V 共享内存
System V 信号量
三、POSIX IPC
消息队列
共享内存
信号量
互斥量
条件变量
读写锁

今天要介绍的就是进程间通信的其中一种形式管道——匿名管道

什么是管道

在刚学linux的时候，在linux常见指令的那一讲，我们介绍过 | 管道符。 Linux管道符“|”用于将一个命令的输出传递给另一个命令作为输入。基本用法如下： command1 | command2

什么是匿名管道

匿名管道是通过调用系统函数pipe()创建的，不需要指定一个路径来标识管道。它只是一个临时的通道，存在于内存中，只能用于具有亲缘关系的进程之间通信（后续使用fork函数来实现）。

匿名管道的实现原理

首先要让不同的进程看到同一份资源，通过fork函数创建子进程，这样一来，子进程就会拷贝父进程的文件描述符表，再通过pipe创建匿名管道，父子进程通过相同的文件描述符指向同一个文件，意味着它们指向同一个页缓冲区，再用系统调用接口write写入数据到管道，read从管道中读取数据，即可完成父子进程之间的通信

pipe函数的用法

头文件：#include <unistd.h>
功能:创建一无名管道
原型 int pipe(int fd[2]);
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
pipe函数的参数是一个输出型参数，返回两个文件描述符。管道被创建时，会需要使用两个文件描述符，一个文件描述符用于向管道写数据，一个文件描述符用于从管道读数据

首先通过pipe函数打开一个文件的读写端

通过fork函数，子进程能够继承读写端

再进行适当的关闭读写端（保留一个读一个写），这样未来能形成单向通道

创建管道并通信

这里设计的是让子进程写入，让父进程读取（这样做的好处是当子进程退出时，可以通过wait等待获取子进程的退出错误码）

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#define MAX 100

using namespace std;
int main()
{
    //创建管道
    int pipefd[2] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    //判断是否成功（一般都会成功，有确定预测的用assert，不确定的用if）
    assert(n==0);
    //防止在release模式下，assert失效，后续不会使用n会告警
    //void(n);
    cout << "pipefd[0]:" << pipefd[0] << ",pipefd[1]:" << pipefd[1] << endl;

    //创建子进程
    pid_t id = fork();
    //判断是否创建失败
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    //子进程
    else if(id == 0)
    {
        close(pipefd[0]);     //关闭读通道
        int cnt = 10;
        while(cnt)
        {
            char message[MAX];
            snprintf(message, sizeof(message), "hello father, I am child, Mypid:%d, cnt: %d", getpid(), cnt);
            cnt--;
            //将字符串message写入到管道中
            write(pipefd[1], message, strlen(message));
            sleep(1);   //让子进程写慢些
            
            // char c = 'F';
            // write(pipefd[1], &c, 1);
            // cnt++;
            // cout << cnt << ":" << "writing..." << endl;
        }
        exit(0);
    }
    //父进程
    close(pipefd[1]);   //关闭写通道
    //TODO
    char buffer[MAX];
    while(true)
    {
        sleep(1);
        //从文件描述符对应的管道里读取数据，并将数据存储到buffer中
        size_t n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            cout << getpid() << " -> "<< " " << "child sends: " << buffer << " to me！" << endl; 
        }
        else if(n == 0)
        {   
            cout << "father return val(n):" << n << endl;
            cout << "child quit, me too!!!" << endl;
            sleep(1);
            break;
        }
    }   
    cout << "finish reading..." << endl;
    //写端已经退出，读完后关闭读端
    close(pipefd[0]);

    pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);
    if(rid == id)
    {
        cout << "wait success" << endl;
    }
    return 0;
}

管道的四种情况

1、如果管道没有数据了，读端必须等待，直到有数据为止

写入一条数据后，就让子进程进入休眠状态

现象：读端不再打印（读取数据），等待子进程写入

2、正常情况：如果管道被写满了，那么写端必须等待，直到有空间为止（读端读走数据）

让读端先睡一会，让写端一次写一个字节

现象：这里会将管道写满64KB，然后就不再写入了

3、写端关闭，读端一直读，读端会读到read返回值为0，表示读到文件结尾

让子进程写5条就退出

现象：read返回值为0，表示读完了

4、读端关闭（读一次直接break，然后关掉读端的文件描述符），写端一直写，写入就没有意义了，写端直接挂掉了，对于操作系统来说，不会做消耗资源的事情（直接杀掉写端进程，通过向目标进程发送sigpipe（13）信号，终止目标进程）

直接在最后break

现象：写端挂掉了

管道的五种特性

1、匿名管道，可以允许具有血缘关系的进程之间进行进程间通信，常用于父子，兄弟，爷孙都可以
毫不相关的进程，是不能通过这种管道进行通信的，是通过fork来通信的
2、匿名管道，默认给读写端要提供同步机制（没有管道的时候，父子进程都向显示器打印，你打你的，我打我的，有了管道，读端就等待写端）
3、匿名管道是面向字节流的，写10次，可以读一次全部读完，也可以一条条读，怎么write和怎么read无关
4、管道的生命周期是随进程的（整个管道会被释放掉，管道也是底层文件，父子进程退出后，管道没有人用了，会被os回收）
5、管道是单向通信的一种特殊情况

小结

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