前往小程序,Get更优阅读体验!
立即前往
首页
学习
活动
专区
工具
TVP
发布
社区首页 >专栏 >【Linux】从零开始认识进程间通信 —— 管道

【Linux】从零开始认识进程间通信 —— 管道

作者头像
叫我龙翔
发布2024-05-26 10:23:04
1190
发布2024-05-26 10:23:04
举报
文章被收录于专栏:就业 C++ 综合学习

1 为什么要进程间通信

以前我们学习的过程中,进程是具有独立性的。但有些时候需要多个进程进行协同,这时候就需要进程间的通信来保证信息的互通。

就比如学校就分有教务处 , 学生处,教研组,班主任等部分。如果学校想要组织一场考试,就通知教务处安排好考场和监考员,告诉教研组老师需要出卷子,等教务处与教研组完成对应工作再告知学生处和班主任,然后通知学生进行考试,班主任和学生处做好考试监督工作。

这里面就少不了沟通交流,传递信息。进程工作也是这样:进程的协同工作需要一个前提提交——通信。通信就是传递数据,控制相关信息

2 进程如何通信

首先 , 我们知道进程是具有独立性的,一个进程的状态不会影响其他进程的运行。而独立性的本质是进程 = 内核数据结构 + 代码和数据 ,内核数据结构PCB是独立的,代码和数据是独立的 , 进程自然就是独立的。

所以,进程间通信的成本的成本稍微高一些,因为进程本身是独立的,两个进程天然是无法进行数据共享的!

可是子进程建立的时候不是会拷贝(继承)一份父进程的数据吗,这不是进行通信吗???

这就要我们明确区分两个概念:能通信可以一直通信是不一样的。子进程继承的父进程数据是只读的,而且只进行一次。而一直通信是时不时就“打个电话”。

所以进程间通信的前提是:先让不同的进程看到同一份(操作系统)资源(“一段内存”)。

  1. 首先,一定是某一个进程先需要通信,让OS创建一个共享资源
  2. 那么OS必须通过对应的系统调用来创建共享资源
  3. OS创建的共享资源的不同 , 系统调用接口的不同----就导致进程间通信会有不同的种类

3 进程通信的常见方式

一般通信有以下种类:

  1. 管道
    • 匿名管道pipe
    • 命名管道
  2. System V IPC 标准 (早期的本地通信)
    • System V 消息队列
    • System V 共享内存
    • System V 信号量
  3. POSIX IPC 标准(现代版本)
    • 消息队列
    • 共享内存
    • 信号量
    • 互斥量
    • 条件变量
    • 读写锁

今天来讲解管道

早期的时候,程序员们面对通信的需求时,不想再单独设计一个通信模块,直接复用内核级代码,就产生了管道!!!管道分为命名管道和匿名管道。

4 管道

4.1 什么是管道

【Linux】 拿下 系统 基础文件操作!!!

【Linux】开始了解重定向

这两篇文章了我们讲解了文件的底层,知道每一个进程都有对应的文件管理结构体,文件管理结构体中有管理已经打开文件的数组。数组下标为文件描述符,指向文件结构体,而文件结构体又会指向文件真正属性inode。

当我们以不同方式打开文件时,只需要在内存中加载一份数据(通过引用计数来管理),以读写方式打开,便会有两个对应的文件结构体。他们共同使用一份代数据,那自然就使用同一个内核级缓冲区。

那么为了要通信,不用在写一个新的模块,直接建立一个子进程来通信多简单。子进程会以父进程为模版进行写时拷贝。

进行拷贝的只有进程对应的结构体,因为进程具有独立性,而文件系统我们可没提过什么对立性,所以文件管理数组进行浅拷贝,同样指向原先的文件结构体。

这时也就理解为什么父子进程会向同一块显示器终端打印数据了。 也理解为什么进程会默认打开012三个标准输入输出:因为所有进程都是bash的子进程,而bash打开了这三个文件,所以自然就打开了!!! 子进程要主动close(0 / 1 /2)不影响父进程继续使用显示器文件!只有引用计数(类似硬链接数)归零才会清理数据

今天我们进行进程间通信的前提——先让不同的进程看到同一份(操作系统)资源,不就解决了吗!!!

文件的内存缓冲区不就是两个进程共享的一份资源吗!而所谓的管道文件就是这个文件缓冲区!

但是呢,管道只允许进行单向通信(父->子 或 子->父),因为管道如果允许父子进程都可以写,就会导致数据紊乱!进行通信的时候,每个进程关闭不需要的文件描述符,然后通过缓冲区来单向通信。一个进程把信息写入缓冲区,另一个进程从缓冲区读取数据,不需要刷新到硬盘,直接从内存进行操作!

有个问题:父子既然要关闭不需要的fd那为什么曾经还要打开呢?可以不关闭吗? 如果父进程只打开读写的fd,那么子进程也就只能继承读写的fd,这就坏事了,总得有人写入吧!那为什么不直接以读写方式打开一个fd呢?这样肯定不可以,子进程继承后也具有读写,也坏事了! 所以不关闭是为了让子进程可以继承下去,到时候关闭不需要的就可以了!当然也可以不关闭,只要你不乱使用,所以为了排除风险,建议直接关闭

4.2 管道通信的系统调用

了解了管道是什么,我们就来看看关于管道的系统调用是什么吧?

通过手册我们可以看到:

代码语言:javascript
复制
PIPE(2)                                                             Linux Programmer's Manual                                                            PIPE(2)

NAME
       pipe, pipe2 - create pipe

SYNOPSIS
       #include <unistd.h>

       /* On Alpha, IA-64, MIPS, SuperH, and SPARC/SPARC64; see NOTES */
       struct fd_pair {
           long fd[2];
       };
       struct fd_pair pipe();

       /* On all other architectures */
       int pipe(int pipefd[2]);

       #define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
       #include <fcntl.h>              /* Obtain O_* constant definitions */
       #include <unistd.h>

       int pipe2(int pipefd[2], int flags);

新的pipe(int pipefd[2]) 是今天的主角(Ubuntu提供了新的选择pipe2),其实底层就是open

pipefd[2] 这是一个输出型参数,把以读方式打开的文件描述符rfd和以写方式打开的文件描述符wfd记录下来!

open不同的是,这个系统调用不需要文件路径和文件名,所以才叫匿名管道!

那么如果我们想要双向通信呢??? 干脆建两个管道不就行了! 那为什么要进行单向通信呢? 因为这个管道的单向通信简单,对代码的复用率很高!

4.3 小试牛刀

接下来我们就来写一个demo,来试试管道接口。

首先我们来搭建一个框架:

  1. 建立一个管道,得到对应的文件描述符
  2. 创建子进程,关闭对应文件
  3. 我们进行子进程写入,父进程读取
  4. 等待子进程退出,避免僵尸进程出现!
代码语言:javascript
复制
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
#include<sys/wait.h>
#include<cerrno>

using namespace std;

void SubProcessWrite(int wfd)
{
}
void FatherProcessRead(int rfd)
{
}
int main()
{
    //创建管道
    int pipefd[2];//[0] -> r | [1] -> w
    int n = pipe(pipefd);
    if(n != 0)
    {
        perror("创建管道错误!\n");
    }
    cout << "pipefd[0] : " << pipefd[0] << " pipefd[1] :" << pipefd[1] << endl;
    //创建子进程
    //关闭对应文件
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        //子进程 -- write
        close(pipefd[0]);

        SubProcessWrite(pipefd[1]);
        //使用完都关闭
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }
    //父进程 -- read
    close(pipefd[1]);
    FatherProcessRead(pipefd[0]);
    //使用完都关闭
    close(pipefd[0]);
    pid_t rid = waitpid(id ,nullptr , 0 );
    if(rid > 0)
    {
        cout << "wait child process done!" << endl;
    }
    return 0;
}

管道本质也是文件,我们读写同样使用write和read。

我们完善一下代码:

  1. 子进程每隔一秒写入一次数据
  2. 父进程每隔一秒读取一次数据
代码语言:javascript
复制
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
#include<string>
#include<sys/wait.h>
#include<cerrno>

using namespace std;

string GetOtherMessage()
{
    static int cnt = 0;
    string messageid = to_string(cnt);
    cnt++;
    pid_t self_id = getpid();
    string stringid = std::to_string(self_id);

    string message = "messageid : ";
    message += messageid;
    message += "my pid :";
    message += stringid;

    return message;
}

void SubProcessWrite(int wfd)
{
    string messages = "father,I am your soon process !";
    while (true)
    {
        string info = messages + GetOtherMessage();
        //写入管道时没有写入'\0',没有必要。在读取时添加
        write(wfd , info.c_str() , info.size());
        sleep(1);
    }
    
}
#define size 1024

void FatherProcessRead(int rfd)
{
    char inbuffer[size];
    while (true)
    {
    	//注意传入的参数 , 读取 rfd 内的数据到inbuffer中,返回成功读取的个数。
        ssize_t n = read(rfd , inbuffer , sizeof(inbuffer) - 1);
        if( n > 0 ) 
        {
            inbuffer[n] = '\0';//添加'\0'
            cout << "father get message: " << inbuffer << endl;
        }

    }
}
int main()
{
    //创建管道
    int pipefd[2];//[0] -> r | [1] -> w
    int n = pipe(pipefd);
    if(n != 0)
    {
        perror("创建管道错误!\n");
    }
    cout << "pipefd[0] : " << pipefd[0] << " pipefd[1] :" << pipefd[1] << endl;
    sleep(1);
    //创建子进程
    //关闭对应文件
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        cout << "子进程关闭不需要的fd , 准备开始发消息" << endl;
        sleep(1);
        //子进程 -- write
        close(pipefd[0]);
        SubProcessWrite(pipefd[1]);
        //使用完都关闭
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }
    cout << "子进程关闭不需要的fd , 准备开始接收消息" << endl;
    sleep(1);
    //父进程 -- read
    close(pipefd[1]);
    FatherProcessRead(pipefd[0]);
    //使用完都关闭
    close(pipefd[0]);
    pid_t rid = waitpid(id ,nullptr , 0 );
    if(rid > 0)
    {
        cout << "wait child process done!" << endl;
    }
    return 0;
}

运行看看:

这样验证管道通信的可行性。

5 总结

管道的4种情况

  1. 如果管道内部是空的 && write fd没有关闭: 读取条件不具备,读取进程会被阻塞 – wait 等待条件具备(写入了数据)
  2. 管道别写满 && read fd 不读且没有关闭 : 管道被写满,写进程会被阻塞,写条件不具备-- wait 等待条件具备(读取走一部分数据才能继续写)
  3. 管道一直在被读 && 写端关闭了wfd: 读端read的返回值会读到 0 ,表示到了文件结尾!!!所以可以在读取的时候进行一下判断,为0就直接退出读取!
  4. rfd 直接关闭 , 写端wfd一直在写入: 首先管道只有一对读写端,读端被关闭了,那么管道就不能称之为管道了。OS系统也不会做这样的无用功,直接把broken pipe坏的管道 进行杀掉!会发送对应的13号信号SIGPIPE:

我们可以总结出管道的5 种特征:

  1. 匿名管道:只用来进行父子进程之间,因为他们可以看到同一资源
  2. 同步性管道内部自带进程之间的同步机制!同步是多执行流代码的时候,具有明显的顺序性。父子进程的读写一定要同步进行,不然可能会出现并发读取的情况,出现错误!
  3. 文件的生命周期是随进程的:当一个文件没有进程调用的时候,就会释放掉!
  4. 管道在通信的时候,是面向字节流的:write 的次数和read的次数不是一一匹配的! 我们让子进程疯狂的写,父进程也一直读。子进程每 1 s写一次,写入时也向标准错误里进行打印(为了好观察)。父进程每5s读一次,并打印到显示器:

可以看到,右侧的子进程,左边是父进程。子进程写入好几次的数据,会被父进程一次读取一大批!!!

  1. 管道的通信模式,是一种特殊的半双工模式:与之对应的是全双工模式,即双方交流可以同时说话。半双工是只能一方说话,一方聆听,不能同时说(对讲机模式)。

这里提一个概念,在管道读写是"原子"的,每个"原子"是 4096 bytes。只有小于这个大小,就不会在读写时被其他人影响。如果大于一个原子的大小,就不能保证安全了。

下一篇文章我们进行管道的实战——进程池项目!

Thanks♪(・ω・)ノ谢谢阅读!!!

下一篇文章见!!!

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划,分享自作者个人站点/博客。
原始发表:2024-05-21,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

本文分享自 作者个人站点/博客 前往查看

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划  ,欢迎热爱写作的你一起参与!

评论
登录后参与评论
0 条评论
热度
最新
推荐阅读
目录
  • 1 为什么要进程间通信
  • 2 进程如何通信
  • 3 进程通信的常见方式
  • 4 管道
    • 4.1 什么是管道
      • 4.2 管道通信的系统调用
        • 4.3 小试牛刀
        • 5 总结
        • Thanks♪(・ω・)ノ谢谢阅读!!!
        • 下一篇文章见!!!
        相关产品与服务
        领券
        问题归档专栏文章快讯文章归档关键词归档开发者手册归档开发者手册 Section 归档