当前位置：首页 > article >正文

【Linux从青铜到王者】Linux进程间通信(一）——待完善

article 2024/11/22 12:49:33

前言

本节重点：

进程间通信介绍。
管道。
消息队列(不涉及)。
共享内存。
信号量(网络时涉及)。

进程间通信介绍

1.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。

2.进程间通信发展
管道。
System V进程间通信。
POSIX进程间通信

3.进程间通信分类
管道。
匿名管道pipe。
命名管道。
System V IPC
System V 消息队列。
System V 共享内存。
System V 信号量。
POSIX IPC
消息队列。
共享内存。
信号量。
互斥量。
条件变量。
读写锁。

4.为什么需要进程间通信？

上面那么多都是为了让进程之间通信，为什么不直接让一个进程发信息给另一个进程呢，或者一个进程直接去一个进程中获取对应的信息，这样不是还方便一点吗？

因为进程要保持独立性，如果一个进程可以直接被另一个进程之间获取，或者可以接受另一个进程的信息，那么就进程之间就没有独立性了，也可能导致进程之间彼此影响

上面那么多种操作的本质，其实都是为了一件事——必须让不同的进程看到同一份资源（由os提供）重点！！！

不同的进程看到同一份资源了，就可以对其进行写入和读取，进程也就可以通过该资源获得另一个进程所发的信息了，然后执行对应的任务

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”

下面这个命令就是统计登录当前用户的个数

who和wc是两个不同的进程，who命令用于查看当前云服务器的登录用户（一行显示一个用户），wc -l用于统计当前的行数。

who进程通过标准输出将数据打到“管道”当中，wc进程再通过标准输入从“管道”当中读取数据，至此便完成了数据的传输，进而完成数据的进一步加工处理。

匿名管道

匿名管道只适用于父子进程之间的通信

原理：

父进程先创建管道文件，通过pcb里的inode找到管道的对应位置，并且读端和写端都打开
然后父进程通过fork创建子进程，由之前可得子进程的pcb中绝大部分信息和父进程保持一致，文件描述符表和inode也会被拷贝，所以此时子进程能找到管道文件，并且读端和写端也是打开着的
通过用户自主选择关闭每个进程的一个端口，就能实现通信了

注意：注意这里的通信是单向的，如果想要实现双向通信，那么可以建立两个管道

图解过程：

从内核角度来看

重点

因为管道只用于传输数据而执行不同的任务，就没有必要将其存到磁盘中而影响os效率，所以管道只存在于磁盘中
由上图我们可以发现管道的本质其实就是一个文件缓冲区
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”。

pipe

创建匿名管道需要使用pipe函数，pipe函数调用成功时返回0，调用失败时返回-1。

int pipe(int pipefd[2]);

pipe函数的参数是一个输出型参数，数组pipefd用于返回两个指向管道读端和写端的文件描述符

数组元素       含义
pipefd[0]   管道读端的文件描述符
pipefd[1]   管道写端的文件描述符

我们可以做个实验，子进程向管道里写入数据，父进程读取文件并打印，也顺便使用一下函数接口

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    // child->write, father->read

    // 使用pipe创建匿名管道
    int fd[2] = {0};
    if (pipe(fd) < 0)
    {
        perror("pipe fail");
        exit(-1);
    }
    // 使用fork创建子进程 ,关闭子进程读端，向管道写入数据
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        // child
        close(fd[0]);
        const char *msg = "hello father, I am child...";
        int count = 10;
        while (count--)
        {
            write(fd[1], msg, strlen(msg));
            sleep(1);
        }
        close(fd[1]); // 子进程写入完毕，关闭文件
        exit(0);
    }
    // 关闭父进程写端，创建buff数组，将管道文件读到buff中并打印
    close(fd[1]);
    char buff[64];
    while (1)
    {
        ssize_t s = read(fd[0], buff, sizeof(buff));
        if (s > 0)
        {
            buff[s] = '\0';
            printf("child send to father:%s\n", buff);
        }
        else if (s == 0)
        {
            printf("read file end\n");
            break;
        }
        else
        {
            printf("read error\n");
            break;
        }
    }
    // 读取完毕关闭文件，等待子进程退出
    close(fd[0]);
    waitpid(id,NULL,0);
    return 0;
}

结果

pipe2

pipe2函数与pipe函数类似，也是用于创建匿名管道，其函数原型如下：

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

pipe2函数的第二个参数用于设置选项

1、当没有数据可读时：
O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来为止。
O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。

2、当管道满的时候：
O_NONBLOCK disable：write调用阻塞，直到有进程读走数据。
O_NONBLOCK enable：write调用返回-1，errno值为EAGAIN。

管道的特点

1、管道内部自带同步与互斥机制。
2、管道的生命周期随进程。
3、管道提供的是流式服务。
4、管道是半双工通信的。

管道的四种特殊情况

1.写端进程不写，读端进程一直读，那么此时会因为管道里面没有数据可读，对应的读端进程会被挂起，直到管道里面有数据后，读端进程才会被唤醒。
2.读端进程不读，写端进程一直写，那么当管道被写满后，对应的写端进程会被挂起，直到管道当中的数据被读端进程读取后，写端进程才会被唤醒。
3.写端进程将数据写完后将写端关闭，那么读端进程将管道当中的数据读完后，就会继续执行该进程之后的代码逻辑，而不会被挂起。
4.读端进程将读端关闭，而写端进程还在一直向管道写入数据，那么操作系统会向写端进程发送信号（13号信号）杀掉

可以通过以下代码实现，也就是对上面代码略微修改一下即可

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
	int fd[2] = { 0 };
	if (pipe(fd) < 0){ //使用pipe创建匿名管道
		perror("pipe");
		return 1;
	}
	pid_t id = fork(); //使用fork创建子进程
	if (id == 0){
		//child
		close(fd[0]); //子进程关闭读端
		//子进程向管道写入数据
		const char* msg = "hello father, I am child...";
		int count = 10;
		while (count--){
			write(fd[1], msg, strlen(msg));
			sleep(1);
		}
		close(fd[1]); //子进程写入完毕，关闭文件
		exit(0);
	}
	//father
	close(fd[1]); //父进程关闭写端
	close(fd[0]); //父进程直接关闭读端（导致子进程被操作系统杀掉）
	int status = 0;
	waitpid(id, &status, 0);
	printf("child get signal:%d\n", status & 0x7F); //打印子进程收到的信号
	return 0;
}