Perl进程间通信
不同进程之间的通信或进程间通信(InterProcess Communication, IPC)，是一个涉及多个方面的主题。Perl提供了多种进程间通信的方式，本文将逐一介绍。本文的内容主体来自于《Pro Perl》的第21章。
单向管道(unidirectional pipe)
管道是两个文件描述符(文件句柄)通过一根管道连接起来，一端的文件句柄读，另一端的文件句柄写，从而实现进程间的通信。
Perl使用pipe函数可以创建单向管道，也就是一端只可读、一端只可写的管道，所以它需要两个文件句柄参数。
pipe READ_FH, WRITE_FH;
默认情况下，Perl会对IO进行缓冲，向写入端文件句柄写入数据时会暂时缓冲在文件句柄的缓冲中，而不会立即放进管道，也就是说读入端无法立即读取到这段数据。对于管道这种数据实时通信的机制，应该关闭缓冲，而是让它在需要写入数据的时候立即刷到管道中。
pipe READ_FH, WRITE_FH;
# when write to WRITE_FH
select WRITE_FH;
$| = 1;
# 或者使用IO::Handle设置autoflush(1)
WRITE_FH->autoflush(1);
下面是一个父子进程间通过单向pipe通信的示例：父进程写、子进程读
#!/usr/bin/perl
use strict;
use warnings;
pipe READ_FH, WRITE_FH;
unless(fork){
# Child Process read from pipe
alarm 5;
while(<READ_FH>){
print "Child Readed: $_";
}
exit;
}
# Parent Process write to pipe
select WRITE_FH;
$| = 1;
for (1..3){
print WRITE_FH "message: $_\n";
sleep 1;
}
双向通信：双管道
再来一个示例，是父子进程之间通过两个管道实现来回通信的简单实现：
#!/usr/bin/perl
use strict;
use warnings;
pipe CREAD_FH, CWRITE_FH;
pipe PREAD_FH, PWRITE_FH;
my $msg = "S";
unless(fork) {
# 子进程：关闭不用的Pipe端
close PREAD_FH;
close CWRITE_FH;
while(<CREAD_FH>){
chomp;
print "Child got message: $_\n";
syswrite PWRITE_FH, "C$_\n";
}
}
# 父进程：关闭不用的Pipe端
close CREAD_FH;
close PWRITE_FH;
syswrite CWRITE_FH, "$msg\n";
while(<PREAD_FH>){
chomp;
print "Parent got message: $_\n";
syswrite CWRITE_FH, "P$_\n";
sleep 1;
}
上面使用了系统底层的syswrite函数(与之对应的是sysread)，它们写入、读取数据时会绕过IO Buffer。而且这里必须不能使用缓冲，否则会出现死锁：父子进程都将等待读数据。
在后文还会介绍套接字实现的双向通信，并再次实现这个示例。
IO::Pipe创建管道
IO::Pipe模块也可以用来创建管道，它创建的是裸管道(raw pipe)对象(面向对象的对象)，可以通过调用reader和writer方法来将Raw Pipe对象转换成IO::Handle的只读、只写文件句柄。例如：
use IO::Pipe
my $pipe = new IO::Pipe
unless (fork){
# Child Process
$pipe->reader;
# $pipe is now a read-only IO::Handle
}
# parent Process
$pipe->writer;
# $pipe is now a write-only IO::Handle
# remeber to disable IO buffering
例如：
#!/usr/bin/perl
use strict;
use warnings;
use IO::Pipe;
my $pipe = IO::Pipe->new();
unless(fork) {
# 子进程
alarm 5;
$pipe->reader();
while(<$pipe>){
chomp;
print "$_\n";
}
}
# 父进程
$pipe->writer();
$pipe->autoflush(1);
for (1..3){
print {$pipe} "message: $_\n";
sleep 1;
}
open和管道
open函数打开文件句柄的时候，可以通过管道符号"|"将文件句柄和外部调用的命令之间建立管道。
例如，将perl从文件句柄中读取的数据交给外部命令cat -n进行处理：
#!/usr/bin/perl
open LOG, "| cat -n"
or die "Can't open file: $!";
while(<LOG>){
print $_;
}
再例如，将外部命令cat -n的执行结果交给perl文件句柄：
#!/usr/bin/perl
open LOG, "cat -n test.log |"
or die "Can't open file: $!";
while(<LOG>){
print "from pipe: $_";
}
除了上面这种将管道符号"|"写在左右两边的方式，还有另外一种方式：-|和|-，其中"-"可以认为是外部命令：
- 外部命令输出到文件句柄模式：
-| - 文件句柄输出到外部命令模式：
|- |写在左边，表示句柄到外部命令，等价于|-，|写在右边，表示外部命令到句柄，等价于-|
以下几种写法是等价的：
open LOG, "|tr '[a-z]' '[A-Z]'";
open LOG, "|-", "tr '[a-z]' '[A-Z]'";
open LOG, "|-", "tr", '[a-z]', '[A-Z]';
open LOG, "cat -n '$file'|";
open LOG, "-|", "cat -n '$file'";
open LOG, "-|", "cat", "-n", $file;
在open建立管道的时候(无论管道符号在左边还是右边)，调用的外部命令会打开一个新进程(子进程)，open的返回值就是这个子进程的pid，可以使用waitpid去为这个子进程收尸。对于|-和-|模式，外部命令可以写在子进程中(见下文避免子shell示例中用法)。
注意：open在调用管道的时候，返回值才是子进程的pid(对父进程，对子进程仍然为0，和fork是一样的)。在正常open文件句柄的时候，返回的是非0值表示open成功。
# 管道在右边
my $pid = open LOG1, "sleep 5 |";
print "child pid: $pid\n"; # sleep进程的pid
while(<LOG1>){
print "$_\n";
}
# 管道在左边
my $pid = open LOG2, "| sleep 5";
print "child pid: $pid\n"; # sleep进程的pid
for("a".."d"){
print LOG2 "$_\n";
}
实际上，使用open调用管道的时候，如果要执行的命令中包含了一些shell的特殊符号，那么Perl就会打开一个子shell作为子进程，再通过这个子shell来解释外部命令，就像system函数一样。如果能避免这种行为，则尽量避免，这种行为有时候不是太安全。
避免的方式是使用exec或system函数，并将外部命令和命令的参数以列表的方式传递给它们(目的是为了分隔命令和参数)。因为open调用-|或|-时，会启动一个新进程，我们可以在这个新子进程中执行exec函数来替换这个子进程，并将命令的参数以列表的方式传递给exec。
#!/usr/bin/perl
use strict;
use warnings;
# "-|"后没有给外部命令，而是留在后面给定
defined(my $pid = open FH, "-|") or die "Can' fork: $!";
unless($pid){ # 子进程
exec qw(ps -ef); # 使用exec分离命令和参数
}
# 父进程
print "Child Process PID: $pid\n";
while(<FH>){
chomp;
print "psCMD: $_\n";
}
更简洁一点：
#!/usr/bin/perl
use strict;
use warnings;
open(PS, "-|") or exec 'ps', '-ef';
while(<PS>){
chomp;
print "psCMD: $_\n";
}
管道还可以继续传递给管道：
open LOG, "|tr '[a-z]' '[A-Z]' | cat -n";
但这种管道是单向管道，无法提供既可读又可写的功能，即| COMMAND |这种模式是无法实现的。但是，可以将单向管道的写入数据输出到一个临时文件中，然后读取端从这个临时文件中读取。
open LOG, "|sort >/tmp/output$$";
...
open RESULT, "/tmp/output$$";
unlink "/tmp/output$$";
实际上，| COMMAND |这种双向管道可以用IPC::open2或IPC::open3来实现。
IPC::Open2和IPC::Open3
open函数只能打开一个文件句柄，要么是输入文件句柄，要么是输出文件句柄，所以无法使用open来实现| COMMAND |模式的双向通信。
IPC::open2和IPC::open3可以在运行外部命令(以fork+exec的方式)的同时打开2个(open2)或3个文件句柄(open3)，它们打开的文件句柄都连接到外部命令，一个用于读取外部命令的结果，一个用于输出给外部命令，如果使用open3，则还有一个用于外部命令的错误输出，就像是为子进程准备了独属于子进程的STDIN、STDOUT和STDERR一样。注意，它们都返回子进程的pid(对子进程则返回0，就像fork一样)。
如下：
use IPC::Open2;
my $pid = open2(*RD, *WR, @CMD_AND_ARGS);
use IPC::Open3;
my $pid = open3(*WR, *RD, *ERR, @CMD_AND_ARGS);
显然，open2和open3的文件句柄参数的顺序不一样，一个读在前，一个写在前，所以一定要仔细检查，它可能是万恶之源。或者，只使用open3来避免这个问题。另外，如果只想要其中一个或2个文件句柄，可以使用shift作为open2/3的参数。例如：
open2(shift, *WR, 'CMD', 'ARG');
其中WR文件句柄用于向外部命令输出数据，RD文件句柄用于从外部命令的结果中读取数据。它们和外部命令的连接关系如下所示：
|---------> |-------->|
↑ ↓ ↑ ↓
WR | COMMAND | RD
例如：从标准输入中读取数据，通过Writer句柄写入给bc命令进行计算，再通过Reader句柄从bc命令读取出计算结果。
#!/usr/bin/perl
use strict;
use warnings;
use IPC::Open2;
local(*Reader, *Writer);
my $pid = open2(\*Reader, \*Writer, "bc");
my $res;
while(<STDIN>){ # 读取标准输入
print Writer $_; # 将标准输入通过Writer写入给bc
$res = <Reader>; # 从Reader中读取bc的计算结果
print STDOUT "$res"; # 输出计算结果到标准输出
}
执行几次该程序：
$ echo "3 + 3" | perl bc.pl
6
$ echo "3 * 3" | perl bc.pl
9
$ echo "3 - 1" | perl bc.pl
2
由于typeglobs是比较老式的编程方式，所以可以传递IO::Handle对象来实现相同的功能：
use IPC::Open2;
use IO::Handle;
my $Rd = IO::Handle->new();
my $Wr = IO::Handle->new();
my $pid = open2($Rd, $Wr, 'CMD', 'ARG');
或者直接传递未赋值的词法变量(词法变量默认会初始化)：
use IPC::Open2;
my ($rd, $wr);
my $pid = open2($rd, $wr, "CMD", "ARG");
我们并非一定要自己编写WR | COMMAND | RD中WR和RD部分的代码来提供数据、读取数据，可以在WR处使用<&FH1来表示直接从FH1文件句柄中读取数据写入给COMMAND，在RD处使用>&FH2来表示直接将结果输出给FH2文件句柄。也就是说，COMMAND从FH1文件句柄中读取输入，将执行结果输出给FH2。即：
open2(>&RD, <&WR, 'CMD');
open2和open3的陷阱
在使用open2和open3的时候，必须注意IO缓冲问题。
对于这种模式的双向管道：
|---------> |-------->|
↑ ↓ ↑ ↓
WR | COMMAND | RD
需要注意的是，WR文件句柄是自动关闭IO buffer的，所以向外部命令传递的数据都能立即被COMMAND读取。但是，我们无法控制COMMAND是否缓冲IO，也就是说，我们无法保证RD能立即从COMMAND读取到数据，这取决于COMMAND的程序设计。像bc命令是计算一行输出一行的，RD能理解读取到计算结果，而sort这样的命令需要将所有数据都读入到缓冲中排序完成后才会输出，这时外部命令无法知道WR是否已经写完了数据，外部命令将因此而一直等待，导致RD也将出现等待。正因为无法保证外部命令是否缓冲，将很容易出现死锁问题。
例如下面这个简单的sort示例：
#!/usr/bin/perl
use strict;
use warnings;
use IPC::Open2;
my($rd, $wr);
my $pid = open2($rd, $wr, "sort");
while(<>){
print {$wr} "$_";
}
close $wr; # 这一行是必须的
while(<$rd>){
print "$_";
}
上面的代码逻辑很简单，从标准输入中读取数据，然后排序，然后读出结果输出到标准输出。但这里的细节是sort命令会等待所有数据都被读入缓冲后再进行排序操作，所以这里使用close()提前关闭WR来通知sort命令数据已经写入完成了，于是sort立即开始排序，RD将从中读取到结果。
如果注释上面的close()，将导致死锁问题，可以一试。
open2和open3的收尸
由于open2和open3都使用fork+exec来运行外部命令，它们中的任何一个失败都会导致open2/3失败，但是open并不会返回失败，而是直接抛出异常。对于子进程的exec失败来说，它将发送SIGPIPE信号，而子进程并不会探测并处理这个信号，我们必须自己去处理，例如捕捉、忽略信号。
open2/3不会等待子进程的退出，也不会为它收尸。如果是短小的程序，可能操作系统会直接帮助收尸了，但如果程序执行时间较长，那么需要手动去收尸。收尸很简单，直接用waitpid即可。例如使用非阻塞版本的waitpid来收尸：
use IPC::Open2;
use POSIX qw(WNOHANG);
my $pid = open2($rd, $wr, 'CMD');
until (waitpid $pid, WNOHANG){ # 直到没有子进程可等待了
# do something
sleep 1; # 每秒去轮询一次
}
必须要注意，until里面的代码不能有阻塞代码(严格地说是该段代码对$rd和$wr的操作没有阻塞)，否则就不会继续调用到waitpid，从而出现死锁。
双向通信管道：套接字
虽然没有直接的双向管道(bidirectional pipe)，但是可以创建两个文件句柄，每个文件句柄都是双向的，从而将它们实现成类似于管道的双向管道。比如前文示例中创建的两个父子进程来回通信的管道，比如套接字，他们都是双向通信的。
两个套接字之间，每个套接字都可以进行读、写，而且它可以跨网络、跨主机进行通信，当然也可以在本机内不同进程间直接通信。对于本机进程间的双向通信来说，使用网络套接字进行通信比较重量级，使用Unix套接字则更轻量级，更高效率，因为Unix套接字省去了许多网络通信的内容。本文也只介绍Unix套接字，在后面介绍网络编程的时候再解释网络套接字。
socketpair函数可以用来创建Unix套接字，它没有任何网络相关的内容。它创建两个来回通信的匿名套接字，看上去就像是双向管道一样(不适用于Windows系统，因为Windows上没有Unix套接字的概念)。实际上，对于Perl来说，有些操作系统平台中的管道(单向的)就是通过socketpair函数来实现的，它在创建了两个均可读写的套接字后，关闭一个套接字的读和另一个套接字的写，就实现了单向管道。
要创建一个套接字，除了要给定套接字文件句柄(文件描述符)，还需要有3个必要的部分：domain、type和与之关联的协议。以socketpair函数为例：
socketpair SOCK1, SOCK2, DOMAIN, TYPE, PROTOCOL
其中(可执行man 2 socket)：
- Damain部分指定通信类型：
PF_INET、PF_INET6、PF_UNIX等，其中"PF"可换成"AF"，PF表示protocal family，AF表示address family，但它们可以混用且可以认为等价 - type部分指定通信语义：
SOCK_STREAM(对应TCP)、SOCK_DGRAM(对应UDP)、SOCK_SEQPACKET(基本等价于TCP，但稍有不同)、SOCK_RAW、SOCK_PACKET(对应链路层，文档中已经指明不建议使用) - Protocol部分依赖于type的类型：对于type只有一种协议类型的type，可以指定为0让操作系统自动选择该唯一的协议，如果type的协议类型不是唯一的，则需要明确指定
但是这些对于socketpair函数来说基本是多余的，因为socketpair创建的套接字不涉及网络通信或文件系统通信，不需要监听连接，不需要绑定地址，不需要关系协议类型，因为操作系统没有底层的协议API符合socketpair创建的套接字类型。所以，我们才认为Unix Domain套接字比网络套接字要轻量级的多。
使用流类型的套接字，以便于我们可以像一个普通文件句柄一样取操作套接字，此外不需要关心协议，所以指定为PF_UNSPEC，或者指定为0。
例如，使用socketpair创建父子进程之间双向通信的Unix Domain套接字：
use Socket;
socketpair PARENT, CHILD, AF_UNIX, SOCK_STREAM, PF_UNSPEC;
# 可以加上判断
socketpair ... or die "$!";
它将建立如下形式的两个双向通信的套接字：
进程1 进程2
-----------------------------
PARENT -----------> CHILD
CHILD -----------> PARENT
也就是写入PARENT端，数据自动流入到CHILD端，只能从CHILD端读取PARENT端的写入。反之，只能从PARENT端读取CHILD端的写入。
下面是使用socketpair创建的socket实现前文使用双管道实现父子进程双向通信的等价示例：
#!/usr/bin/perl
use strict;
use warnings;
use Socket;
use IO::Handle;
socketpair PARENT, CHILD, AF_UNIX, SOCK_STREAM, AF_UNSPEC;
PARENT->autoflush(1);
CHILD->autoflush(1);
my $msg = "S";
unless (fork) { # 子进程
close PARENT;
while(<CHILD>){
chomp;
print "Child Got: $_\n";
print CHILD "C$_\n";
}
}
# 父进程
close CHILD;
print PARENT "$msg\n";
while(<PARENT>){
chomp;
print "Parent Got: $_\n";
print PARENT "P$_\n";
sleep 1;
}
shutdown函数关闭套接字
有些时候，不是一定要用上套接字的双向通信功能，比如一端数据已经写入完成了，但是当前端还在读取或等待读取，那么可以关闭该端的写入操作，反之可以关闭读取操作。甚至，可以直接像close一样关闭套接字。
shutdown函数可用来关闭用不上的那端套接字，shutdown函数的用法：
shutdown(SOCKET, 0); # I/we have stopped reading data
shutdown(SOCKET, 1); # I/we have stopped writing data
shutdown(SOCKET, 2); # I/we have stopped using this socket
已经解释的很清楚了，第二个参数为0表示关闭套接字读操作(SHUT_RD，即成为write-only套接字)，为1表示关闭套接字写操作(SHUT_WR，即成为read-only套接字)，为2表示禁用该套接字(SHUT_RDWR)。且上面使用了I/we第一人称，I表示当前进程中的某套接字，we表示多个进程中的同一个套接字。
shutdown函数和close函数的区别在于某些情况下shutdown函数比较适用，比如想告诉对端我已经完成了写但还没有完成读(或者反之)，而且shutdown会关闭通过多个进程中的同个套接字（也就是说，close只影响当前进程打开的某套接字，而shutdown则影响所有进程的这个套接字）。
正因为shutdown会影响所有进程的同一个套接字，所以对于同时读写的套接字来说，不要随意使用shutdown。正如上面的示例中，看上去子进程只使用CHILD套接字，父进程只使用PARENT套接字，所以使用shutdown关闭子进程的PARENT，关闭父进程的CHILD，就像前面使用的close一样。但实际结果却是，两个进程的CHILD和PARENT都将关闭。所以，能用close的地方不代表能用shutdown，尽管它们都可以关闭套接字。
Linux系列文章：https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/7048359.html
Shell系列文章：https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/7048359.html
网站架构系列文章：http://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/7576137.html
MySQL/MariaDB系列文章：https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/7586194.html
Perl系列：https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/9512185.html
Go系列：https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/9832538.html
Python系列：https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/9832640.html
Ruby系列：https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/10805545.html
操作系统系列：https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/10481466.html
精通awk系列：https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/12688355.html
