【linux学习指南】 进程间通信&&匿名管道&&理解管道的本质

📝进程间通信介绍

🌉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。

🌉进程间通信发展

1. 管道(Pipe)：
   • 管道是最早的进程间通信机制之一。
   • 管道允许一个进程向另一个进程写入数据,另一个进程可以读取数据。
   • 管道是单向的,数据只能在一个方向上流动。
2. SystemV进程间通信：
   • 这是一种更加丰富和灵活的进程间通信机制。
   • 包括:
     • 消息队列 - 进程可以发送和接收消息
     • 共享内存 - 进程可以共享内存区域
     • 信号量 - 进程可以使用信号量进行同步
3. POSIX进程间通信：
   • 这是一种标准化的进程间通信机制。
   • 包括:
     • 消息队列 - 类似于System V的消息队列
     • 共享内存 - 类似于System V的共享内存
     • 信号量 - 类似于System V的信号量
     • 管道和命名管道 - 类似于早期的管道机制
   • POSIX机制提供了更好的可移植性和标准化。

🌉进程间通信分类

• 管道 匿名管道pipe 命名管道
• SystemVIPC SystemV消息队列 SystemV共享内存 SystemV信号量
• POSIXIPC 消息队列 共享内存 信号量 互斥量 条件变量 读写锁

🌠管道

什么是管道

• 管道是Unix中最古⽼的进程间通信的形式。
• 我们把从⼀个进程连接到另⼀个进程的⼀个数据流称为⼀个“管道”

🌉匿名管道

#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

🌉实例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
	int fds[2];
	char buf[100];
	int len;

	//使用pipe(fds),如果成功，则会将fds[0].fds[1]分别写入R,W文件描述符
	if( pipe(fds) == -1)
		perror("make pipe"), exit(1);

	while(fgets(buf,100,stdin))
	{
		len = strlen(buf);

		if(write(fds[1], buf, len) != len)
		{
			perror("write to pipe");
			break;
		}

		memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
		//将buf数组中的所有100个字节全部初始化为0x00,也就是10进制的0，目的是为了清空内存区域。

		//read from pipe
		if(((len = read(fds[0],buf,100)) == -1))
		{
			perror("read from pipe");
			break;
		}

		//write to stdout
		if(write(1, buf, len) != len)
		{
			perror("write to stdout");
			break;
		}
		

	}
	return 0;
}

🌠三种理解管道方法

🌉⽤fork来共享管道原理

在 Unix/Linux 系统中,我们可以使用 fork() 系统调用来创建子进程,并通过共享管道(pipe)进行进程间通信。下面是使用 fork() 来共享管道的原理:

首先,父进程创建一个管道:

int fds[2];
pipe(fds);

这将创建一个管道,其读端文件描述符存储在 fds[0]，写端文件描述符存储在 fds[1]。

接着,父进程调用 fork() 创建一个子进程:

pid_t pid = fork();

此时,父进程和子进程都有一个指向同一个管道的文件描述符。

在父进程中:

• 父进程关闭管道的读端 fds[0]。
• 父进程可以向管道的写端 fds[1] 写入数据。

在子进程中:

• 子进程关闭管道的写端 fds[1]。
• 子进程可以从管道的读端 fds[0] 读取数据。

通过这种方式,父进程和子进程可以通过共享的管道进行通信。父进程将数据写入管道,子进程从管道中读取数据。

这个过程中,父进程和子进程各自持有管道的一端文件描述符,确保了数据的正确流向。当父进程关闭读端,子进程关闭写端时,双方就建立了一个单向的数据流通道。

使用 fork() 创建的子进程与父进程共享相同的内存空间,这意味着它们可以共享同一个管道。这种机制使得进程间通信变得简单高效,是 Unix/Linux 系统中常见的进程间通信方式之一。

🌉 站在⽂件描述符⻆度-深度理解管道

从文件描述符的角度来深入理解管道(pipe)的工作原理是非常有帮助的。让我们一步步探讨这个过程:

1. 创建管道:
   • 使用 pipe(fds) 系统调用创建一个管道。
   • 管道包含两个文件描述符: fds[0] 是读端, fds[1] 是写端。

1. 文件描述符的特点:
   • 文件描述符是操作系统用来标识打开的文件或其他I/O资源的整数。
   • 每个进程都有自己独立的文件描述符表,用于管理该进程打开的所有文件和资源。
   • 通常,标准输入(stdin)是文件描述符 0, 标准输出(stdout)是文件描述符 1, 标准错误(stderr)是文件描述符 2。
2. 管道的文件描述符:
   • 当创建管道时, pipe(fds) 会在进程的文件描述符表中添加两个新的文件描述符: fds[0] 和 fds[1]。
   • fds[0] 是管道的读端, fds[1] 是管道的写端。
   • 这两个文件描述符都指向同一个内核缓冲区,即管道本身。
3. 进程间通信:
   • 当一个进程向管道的写端 fds[1] 写入数据时,数据会被写入内核缓冲区。
   • 另一个进程可以通过读端 fds[0] 从内核缓冲区中读取数据。
   • 这样就实现了进程间的通信。
4. 文件描述符共享:
   • 当使用 fork() 创建子进程时,子进程会继承父进程的所有文件描述符,包括管道的文件描述符。
   • 父进程和子进程共享同一个管道的文件描述符,这使得它们可以通过管道进行通信。
5. 关闭文件描述符:
   • 当一个进程不再需要管道的某个端口时,应该关闭相应的文件描述符。
   • 关闭读端 fds[0] 表示不再从管道读取数据,关闭写端 fds[1] 表示不再向管道写入数据。
   • 当管道的读端和写端都被关闭后,管道将被内核自动关闭。

🌉站在内核⻆度-管道本质

看待管道，就如同看待⽂件⼀样！管道的使⽤和⽂件⼀致，迎合了“Linux⼀切皆⽂件思想”。

从内核的角度来理解管道(pipe)的本质是很有帮助的。让我们深入探讨一下管道在内核中的实现:

1. 内核中的管道实现:
   • 在内核中,管道本质上是一个环形缓冲区,用于存储进程间传递的数据。
   • 这个缓冲区由内核维护,用户进程无法直接访问或修改它。
   • 管道有两个文件描述符: 读端和写端,分别用于读取和写入数据。
2. 管道的缓冲区:
   • 管道的缓冲区大小是固定的,通常是几千字节。
   • 当写端向管道写入数据时,数据会被存储在缓冲区中。
   • 当读端从管道读取数据时,数据会从缓冲区中取出。
3. 读写机制:
   • 写入管道时,如果缓冲区已满,写进程会被阻塞,直到有空间可写。
   • 读取管道时,如果缓冲区为空,读进程会被阻塞,直到有数据可读。
   • 这种读写阻塞机制确保了数据的完整性和正确性。
4. 文件系统集成:
   • 在 Unix/Linux 系统中,管道也是文件系统中的一种特殊类型。
   • 管道的文件描述符可以像普通文件一样被操作,例如使用 read()、write()、close() 等系统调用。
   • 这使得管道可以无缝地集成到各种 I/O 操作中。
5. 进程间通信:
   • 当两个进程共享同一个管道时,它们就可以通过这个管道进行数据交换。
   • 一个进程向管道写入数据,另一个进程从管道读取数据,实现了进程间的通信。
   • 这种通信方式简单高效,是 Unix/Linux 系统中常见的进程间通信机制之一。

总的来说,从内核的角度看,管道本质上是一个由内核维护的环形缓冲区,用于在进程间传递数据。