TCP/IP网络编程之进程间通信
进程间通信基本概念
进程间通信意味着两个不同进程间可以交换数据，为了完成这一点，操作系统中应提供两个进程可以同时访问的内存空间。但我们知道，进程具有完全独立的内存结构，就连通过fork函数创建的子进程也不会和父进程共享内存，因此，进程间通信只能通过其他特殊方法完成
基于管道实现进程间通信
图1-1表示基于管道（PIPE）的进程间通信结构模型
图1-1 基于管道的进程间通信模型
从图1-1可以看到，为了完成进程间通信，需要创建管道。管道并非属于进程资源，而是和套接字一样，属于操作系统资源（也就不是fork函数的复制对象）。下面介绍创建管道函数
#include <unistd.h> int pipe (int filedes[2]);//成功时返回0，失败时返回-1
- filedes[0]：通过管道接收数据时使用的文件描述符，即管道出口
- filedes[1]：通过管道传输数据时使用的文件描述符，即管道入口
以长度为2的int数组地址值作为参数调用上述函数时，数组中存有两个文件描述符，它们将被用作管道的出口和入口。父进程调用该函数时将创建管道，同时获取对应于出入口的文件描述符，此时父进程可以读写同一管道。但父进程的目的是与子进程进行数据交换，因此需要将入口和出口中的一个文件描述符传递给子进程，如何完成传递呢？答案还是调用fork函数
pipe1.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds[2];
char str[] = "Who are you?";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
pipe(fds);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
write(fds[1], str, sizeof(str));
}
else
{
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
puts(buf);
}
return 0;
}
- 第12行：调用pipe函数创建管道，fds数组中保存用于I/O的文件描述符
- 第13行：接着调用fork函数，子进程将同时拥有通过12行函数调用获取的两个文件描述符。注意！复制的并非管道，而是用于管道I/O的文件描述符。至此，父子进程同时拥有I/O文件描述符
- 第16、20行：子进程通过第16行代码向管道传递字符串，父进程通过第20行代码从管道接收字符串
编译pipe1.c并运行
# gcc pipe1.c -o pipe1 # ./pipe1 Who are you?
上述示例中的通信方法及路径如图1-2所示，重点在于，父子进程都可以访问管道的I/O路径，但子进程仅用输入路径，父进程仅用输出路径
图1-2 示例pipe1.c的通信路径
以上就是管道的基本原理及通信方法，应用管道时还有一部分内容需要注意，通过双向通信示例进一步说明
通过管道进行进程间双向通信
下面创建两个进程通过一个管道进行双向数据交换的示例，其通信方式如图1-3所示
图1-3 双向通信模型1
从图1-3可以看出，通过一个管道可以进行双向通信，但采用这种模型需格外小心，先给出示例，稍后再讨论
pipe2.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds[2];
char str1[] = "Who are you?";
char str2[] = "Thank you for your message";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
pipe(fds);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
write(fds[1], str1, sizeof(str1));
sleep(2);
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Child proc output: %s \n", buf);
}
else
{
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Parent proc output: %s \n", buf);
write(fds[1], str2, sizeof(str2));
sleep(3);
}
return 0;
}
- 第17~20行：子进程运行区域，通过第17行行传输数据，通过第19行接收数据。第18行的sleep函数至关重要，这一点稍后再讨论
- 第24~26行：父进程的运行区域，通过第24行接收数据，这是为了接收第17行子进程传输的数据。另外通过第26行传输数据，这些数据将被第19行的子进程接收
- 第27行：父进程先终止时会弹出命令提示符，这时子进程仍然在工作，故不会产生问题。这条语句主要是为了防止子进程终止前弹出命令提示符（故可删除）
编译pipe2.c并运行
# gcc pipe2.c -o pipe2 # ./pipe2 Parent proc output: Who are you? Child proc output: Thank you for your message
运行结果和我们设想一致，不过如果尝试将18行的代码注释后再运行，虽然这行代码只将运行时间延迟了两秒，但一旦注释便会引发错误，是什么原因呢？
向管道传递数据时，先读的进程会把数据取走。简言之，数据进入管道后成为无主数据，也就是通过read函数先读取数据的进程将得到数据，即使该进程将数据传到了管道。因此，注释第18行将产生问题，在第19行，子进程将读回自己在第17行向管道发送的数据。结果父进程调用read函数后将无限期等待数据进入管道
从上述示例可以看到，只用一个管道进行双向通信并非易事，为了简化在进行双向通信时，既然一个管道很难完成的任务，不如就让两个管道来一起完成？因此创建两个管道，各自负责不同的数据流动即可。其过程如图1-4所示
图1-4 双向通信模型2
由图1-4可知，使用两个管道可以解决单单通过一个管道来进行双向通信的麻烦，下面采用上述模型来改进pipe2.c
pipe3.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds1[2], fds2[2];
char str1[] = "Who are you?";
char str2[] = "Thank you for your message";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
pipe(fds1), pipe(fds2);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
write(fds1[1], str1, sizeof(str1));
read(fds2[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Child proc output: %s \n", buf);
}
else
{
read(fds1[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Parent proc output: %s \n", buf);
write(fds2[1], str2, sizeof(str2));
sleep(3);
}
return 0;
}
- 第13行：创建两个管道
- 第17、33行：子进程可以通过数组fds1指向的管道向父进程传输数据
- 第18、25行：父进程可以通过数组fds2指向的管道向子进程传输数据
- 第26行：没有太大的意义，只是为了延迟父进程终止的插入的代码
编译pipe3.c并运行
# gcc pipe3.c -o pipe3 # ./pipe3 Parent proc output: Who are you? Child proc output: Thank you for your message
运用进程间通信
上一节学习了基于管道的进程间通信方法，接下来将其运用到网络代码中。如前所述，进程间通信与创建服务端并没有直接关联，但有助于理解操作系统
保存消息的回声服务端
扩展TCP/IP网络编程之多进程服务端（二）这一章的echo_mpserv.c，添加将回声客户端传输的字符串按序保存到文件中。我们可以将这个任务交给另外的进程，换言之，另行创建进程，从向客户端服务的进程字符串信息。当然，该过程需要创建用于接收数据的管道
下面给出示例，该示例可以与任意回声客户端配合运行，我们将用之前介绍过的echo_mpserv.c
echo_storeserv.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 100
void error_handling(char *message);
void read_childproc(int sig);
int main(int argc, char *argv[])
{
int serv_sock, clnt_sock;
struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
int fds[2];
pid_t pid;
struct sigaction act;
socklen_t adr_sz;
int str_len, state;
char buf[BUF_SIZE];
if (argc != 2)
{
printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
act.sa_handler = read_childproc;
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_flags = 0;
state = sigaction(SIGCHLD, &act, 0);
serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
error_handling("bind() error");
if (listen(serv_sock, 5) == -1)
error_handling("listen() error");
pipe(fds);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
FILE *fp = fopen("echomsg.txt", "wt");
char msgbuf[BUF_SIZE];
int i, len;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
len = read(fds[0], msgbuf, BUF_SIZE);
fwrite((void *)msgbuf, 1, len, fp);
}
fclose(fp);
return 0;
}
while (1)
{
adr_sz = sizeof(clnt_adr);
clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
if (clnt_sock == -1)
continue;
else
puts("new client connected...");
pid = fork();
if (pid == 0)
{
close(serv_sock);
while ((str_len = read(clnt_sock, buf, BUF_SIZE)) != 0)
{
write(clnt_sock, buf, str_len);
write(fds[1], buf, str_len);
}
close(clnt_sock);
puts("client disconnected...");
return 0;
}
else
close(clnt_sock);
}
close(serv_sock);
return 0;
}
void read_childproc(int sig)
{
pid_t pid;
int status;
pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
printf("removed proc id: %d \n", pid);
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
- 第47、48行：第47行创建管道，第48行创建负责保存文件的进程
- 第49~62行：第49行创建的子进程运行区域，该区域从管道出口fds[0]读取数据并保存到文件中。另外，上述服务端并不终止运行，而是不断向客户端提供服务。因此，数据在文件中累计到一定程序即关闭文件，该过程通过第55行的循环完成
- 第80行：第73行通过fork函数创建的所有子进程将复制第47行创建的管道的文件描述符，因此，可以通过管道入口fds[1]传递字符串信息
编译echo_storeserv.c并运行
# gcc echo_storeserv.c -o echo_storeserv # ./echo_storeserv 8500 new client connected... new client connected... client disconnected... removed proc id: 8647 removed proc id: 8633 client disconnected... removed proc id: 8644
运行结果echo_mpclient ONE：
# ./echo_mpclient 127.0.0.1 8500 Hello world! Message from server: Hello world! Hello Amy! Message from server: Hello Amy! Hello Tom! Message from server: Hello Tom! Hello Jack! Message from server: Hello Jack! Hello Rose! Message from server: Hello Rose! q
运行结果echo_mpclient TWO：
# ./echo_mpclient 127.0.0.1 8500 Hello Java! Message from server: Hello Java! Hello Python! Message from server: Hello Python! Hello Golang! Message from server: Hello Golang! Hello Spring! Message from server: Hello Spring! Hello Flask! Message from server: Hello Flask! q
打印echomsg.txt文件
# cat echomsg.txt Hello world! Hello Amy! Hello Java! Hello Python! Hello Tom! Hello Jack! Hello Rose! Hello Golang! Hello Spring! Hello Flask!
如上运行结果所示，启动多个客户端向服务端传输数据时，文件中累计一定数量的字符串后（共调用十次fwrite函数），可以打开echomsg.txt存入字符串
