【Linux】进程间通信 -- 管道

一. 管道
- 1. 匿名管道
- - 1.1. 匿名管道的创建
  - - 命令行创建
    - pipe() 函数创建
  - 1.2 匿名管道的读写规则
  - 1.3 匿名管道的特点
- 2. 命名管道
- - 2.1 命名管道的创建
  - - 命令行创建
    - mkfifo() 函数创建
  - 2.2 命名管道的读写规则和特点

进程间通信 (Inter-Process Communication, 简称 IPC) 是多进程协作的基础, 当进程之间需要交互, 协同完成一件事时, 就需要进程通信.

进程间通信的目的:

数据传输: 不同进程间进行数据传输.
资源共享: 多个进程之间需要共享资源.
事件通知: 一个进程向其他进程发送消息, 通知处理相关事件.
进程控制: 有些进程希望完全控制另一个进程的执行, 此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷阱和异常, 并能够及时知道它的状态改变.

由于进程之间是相互独立的, 所以需要操作系统提供一份公共的空间或资源, 使得进程可以从公共空间或资源读写数据, 所以进程通信的本质是操作系统提供一份不同的进程都可以访问的资源.

一. 管道

管道是一种古老且经典, 基于文件操作的通信方案;

管道根据它的特性命名, 是一个可以连接不同进程的数据流, 且数据流是半双工的(单向通信);
其本质就是操作系统在物理内存中创建的一份文件, 不同的进程通过写入或读取文件内容达到交互的目的;

管道又分为 匿名管道 和 命名管道.

1. 匿名管道

匿名管道是一种只能用于具有亲缘关系的进程之间通信的管道, 常用于父子进程.

1.1. 匿名管道的创建

命令行创建

匿名管道可以使用命令创建和使用, 通常使用符号 “|” 来表示管道.

例:
cat log.txt 的内容被 wc -l (统计数据的行数)指令读取, 打印出 log.txt 文件内容的行数.

原理:

pipe() 函数创建

pipe() 函数可以创建一个匿名管道

#include <unistd.h>int pipe(int fd[2]);

参数 fd：输出型参数, 文件描述符数组; 其中 fd[0] 表示读端, fd[1] 表示写端 .
返回值: 若成功, 返回 0 ; 若失败, 返回-1, 并设置错误代码.

例:

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>using namespace std;int main()
{int fd[2];int n = pipe(fd);   // 创建匿名管道if (n == -1)        // 若失败{perror("pipe: ");return 0;}int pid = fork();   // 创建子进程if (pid == -1)      // 若失败{perror("fork: ");return 0;}// 子进程if (pid == 0){close(fd[0]);   // 关闭读端char buffer[] = "i am son";for (int i=0; i<10; i++){// 向管道写入ssize_t sz = write(fd[1], buffer, sizeof(buffer) - 1);if (sz == -1)	// 写入失败{perror("write: ");  break;}sleep(1);}close(fd[1]);   // 关闭写端return 0;}// 父进程close(fd[1]);       // 关闭写端// 从管道读取char buffer[64];while (1){ssize_t sz = read(fd[0], buffer, sizeof(buffer));if (sz == -1)   // 读取失败{perror("read: ");break;}buffer[sz] = 0;if (sz)         // 读取成功cout << buffer << endl;else            // 写端关闭break;}close(fd[0]);       // 关闭读端wait(nullptr);      // 等待子进程return 0;
}

在这里插入图片描述

原理:
父进程使用 pipe() 函数创建并记录匿名管道文件的读写端, 子进程会通过 fork() 继承匿名管道信息, 之后父子进程分别关闭不需要的读或写端, 即可实现进程间的单向通信.
在这里插入图片描述
注: 匿名管道文件是一个由操作系统提供的内存文件, 不需要将数据刷新至磁盘中;

1.2 匿名管道的读写规则

当管道为空时:
O_NONBLOCK disable: read() 函数调用阻塞, 即进程暂停执行, 直至有数据来到为止;
O_NONBLOCK enable: read() 函数调用返回 -1, errno 设置为 EAGAIN.
当管道为满时:
O_NONBLOCK disable: write() 函数调用阻塞, 直至有进程读走数据;
O_NONBLOCK enable: write() 函数调用返回 -1, errno 设置为 EAGAIN.
若管道的所有写端对应的文件描述符被关闭, 则 read() 函数返回 0;
若管道的所有读端对应的文件描述符被关闭, 则 write() 函数会产生信号 SIGPIPE, 进而可能导致写端进程退出.
当写入的数据量不大于 PIPE_BUF (管道的大小, defined in <limits.h>)时, Linux 将保证写入的原子性;
当写入的数据量大于 PIPE_BUF 时, Linux 将不再保证写入的原子性.

也就是管道读写时会出现四种情况:

当管道内容为空, 读端读取时, 读端进程会被阻塞挂起, 直至管道被写入数据后才会被唤醒;
当管道内容满后, 写端写入时, 写端进程会被阻塞挂起, 直至管道数据被读取后才会被唤醒;
当写端进程写完数据关闭写端, 读端进程将管道中的数据全部读取后, 再次读取并不会阻塞挂起, 而是直接返回 0 值, 表示管道为空, 并且不会再有数据写入, 应该结束读取了.
当读端进程关闭读端后, 若写端进程再次写入数据, 操作系统会认为是无意义行为, 将其进程强制终止, 写端属于异常退出.

1.3 匿名管道的特点

管道单向通信, 是半双工的一种特殊情况; 数据只能向一个方向流动, 若需要双方通信时, 则需要建立两个管道.
只能使用于具有亲缘关系的进程之间进行通信, 管道信息需要继承获得.
管道是面向字节流的, 数据的读取或写入数量由上层控制.
管道的生命周期跟随进程的, 当进程终止时, 管道资源会被操作系统回收.
管道自带同步与互斥机制, 可以在一定程度上协调进程的读写顺序;

2. 命名管道

命名管道不同于匿名管道, 命名管道实现任意进程的通信.

命名管道其本质和匿名管道相同, 依旧是内存文件, 只不过分配了 inode, 将其映射在磁盘上, 使进程可以通过路径和文件名找到;
不过命名管道并没有被分配 Data block, 所以数据依旧不需要刷新至磁盘中;

命名管道在磁盘上就是一个特殊文件, 类型为 p, 在 Linux 中文件名后有一个 “|” 标志, 并且文件大小永远为 0.
在这里插入图片描述

2.1 命名管道的创建

命令行创建

mkfifo file_name

例:

mkfifo() 函数创建

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

参数:
pathname: 表示命名管道文件的路径和文件名; 若 pathname 仅含文件名, 则默认将命名管道文件创建在当前路径中.
mode: 表示命名管道文件的默认权限.
返回值: 若文件创建成功, 返回 0; 若失败, 返回 -1, 并设置 erron;

例:
模拟服务器和客户端的数据交互

comm.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>#define FILE_NAME "fifo"
using namespace std;

pipe_server.cc

#include "comm.hpp"int main()
{umask(0);int n = mkfifo(FILE_NAME , 0666);       // 创建命名管道文件if (n == -1){cout << "mkfifo:" << strerror(errno) << endl;return 0;}int fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY);     // 打开管道文件if (fd == -1){cout << "open:" << strerror(errno) << endl;return 0;}// 从管道中读取数据char buffer[128];while (1){int n = read(fd, buffer, sizeof(buffer)-1); if (!n)             // 若写端关闭{cout << "server quit!" << endl;break;}else if (n == -1)   // 若读取失败{cout << "read:" << strerror(errno) << endl;return 0;}// 正常读取buffer[n] = 0;      cout << "message: " << buffer << endl;}unlink(FILE_NAME);	//删除管道文件return 0;
}

pipe_client.cc

#include "comm.hpp"int main()
{int fd = open(FILE_NAME, O_WRONLY);     // 打开管道文件if (fd == -1){cout << "open:" << strerror(errno) << endl;return 0;}// 写入数据string buffer;while (1){cout << "send: ";cin >> buffer;if (buffer == "quit")   {cout << "client quit!" << endl;break;}int n = write(fd, buffer.c_str(), buffer.size());if (n == -1){cout << "write:" << strerror(errno) << endl;return 0;}}return 0;
}