进程间通信

1.1进程间通信介绍

什么是进程间通信？

答：进程具有独立性，每个进程都有自己的PCB，所以进程间需要通信，并且通信的成本一定不低（通信的本质：OS需要直接或者间接给通信双方的进程提供“内存空间”，并且要通信的进程，必须看到一份公共的资源）

而我们所说的不同通信种类本质就是：上面所说的资源，是OS中的哪一个模块提供的。如文件系统提供的叫管道通信；OS对应的System V模块提供的…

📝ps:成本不低是因为我们需要让不同的进程看到同一份资源

1.2进程间通信目的

进程间通信的目的在于：

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）

为什么要有进程间通信？

答：有时候我们需要多进程协同的，完成某种业务内容。比如管道。

1.3进程间通信分类

如何去通信？

答：1.采用标准的做法：System V进程间通信（聚焦在本地通信，如共享内存）、POSIX进程间通信（让通信过程可以跨主机）。

2.采用文件的做法：管道-基于文件系统（匿名管道、命名管道）

而本篇博客主要介绍管道，接着往下看把👇

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管道

2.1管道介绍

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"

任何一个文件包括两套资源：1.file的操作方法 2.有属于自己的内核缓冲区，所以父进程和子进程有一份公共的资源：文件系统提供的内核缓冲区，父进程可以向对应的文件的文件缓冲区写入，子进程可以通过文件缓冲区读取，此时就完成了进程间通信，这种方式提供的文件称为管道文件。管道文件本质就是内存级文件，不需要IO。

两个进程如何看到同一个管道文件：fork创建子进程完成

管道创建时分别以读和写方式打开同一个文件（如果只读或者只写，子进程也只会继承只读或只写，父子双方打开文件的方式一样，无法完成单向通信）；父进程创建子进程，父进程以读写打开，子进程也是以读写打开（一般而言，管道只用来进行单向数据通信）；关闭父子进程不需要的文件描述符，完成通信：

管道分为匿名管道和命名管道

2.2匿名管道

我们通过文件名区分文件，但是如果当前进程的文件没有名字，这样的内存级文件称为匿名管道。让两个进程看到同一个文件，通过父进程创建子进程，子进程继承文件地址的方式，看到同一个内存级文件，此时内存级文件没有名称就是匿名管道了。匿名管道能用来父进程和子进程之间进行进程间通信。

pipe

pipe：创建一个管道只需要调用pipe，注意头文件，返回值，以及函数的参数

头文件为#include <unistd.h>，调用成功返回0，调用失败返回-1。参数是输出型参数

SYNOPSIS
       #include <unistd.h>
       int pipe(int pipefd[2]);
DESCRIPTION
    pipe() creates a pipe，pipefd[0]  refers  to  the  read end of the pipe.  pipefd[1] refers to the write end of the pipe.
RETURN VALUE
       On success, zero is returned.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

创建管道文件，打开读写端：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cassert>

using namespace std;
int main()
{
    int fds[2];
    int n = pipe(fds);
    assert(n == 0);

    //0,1,2->3,4
    //[0]:读取  [1]:写入
    cout<<"fds[0]:"<<fds[0]<<endl;//3
    cout<<"fds[1]:"<<fds[1]<<endl;//4
    return 0;
}

所以[0]:3代表读取👄，[1]:4代表写入✍。

fork子进程:

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;
int main()
{
    int fds[2];
    int n = pipe(fds);
    assert(n == 0);

    //fork
    pid_t id = fork();
    assert(id>=0);
    if(id==0)
    {
        //子进程通信

        exit(0);
    }
    //父进程通信
    n = waitpid(id,nullptr,0);
    assert(n==id);
    return 0;
}

关闭父子进程不需要的文件描述符,完成通信：

子进程写入，父进程读取：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int main()
{
    int fds[2];
    int n = pipe(fds);
    assert(n == 0);
    //fork
    pid_t id = fork();
    assert(id>=0);
    if(id==0)
    {
        //子进程通信:子进程进行写入,关闭读
        close(fds[0]);
        //通信
        const char*s = "这是子进程,正在进行通信";
        int cnt = 0;
        while(true)
        {
            cnt++;
            char buffer[1024];
            snprintf(buffer,sizeof buffer,"child->parent say:%s[%d][%d]",s,cnt,getpid());
            //写端写满的时候，在写会阻塞，等对方进行读取
            write(fds[1],buffer,strlen(buffer));//系统接口
            sleep(1);//一秒写一次
        }
        //退出前关闭子进程
        close(fds[1]);
        exit(0);
    }
    //父进程通信：父进程进行读取，关闭写
    close(fds[1]);
    //通信
    while(true)
    {
        char buffer[1024];
        //管道中如果没有数据，读端在读，默认会直接阻塞当前正在读取的进程
        ssize_t s = read(fds[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(s>0) buffer[s] = 0;
        cout<<"Get Message# "<<buffer<<"|mypid:"<<getpid()<<endl;
    }

    n = waitpid(id,nullptr,0);
    assert(n==id);
    
    //结束前关闭
    close(fds[0]);
    return 0;
}

读写特征

管道读写特征：

1.读快写慢

子进程休眠时，不在写入，父进程在读取（如果管道中没有数据，读端在读，此时默认会直接阻塞当前正在读取的进程）

2.读慢写快

拿着管道读端不读，写端一直在写：写端往管道里写，而管道是有大小的，不断往写端写，会被写满

管道是固定大小的缓冲区，当管道被写满，就不能再写了。此时写端会阻塞。

如果父进程只是sleep(2)，稍微睡眠比较少：

在这里不断读取的时候：写端是把数据塞到管道里，管道读取的是按照指定大小读取！而不是一行一行。而我们刚开始按行读取的是因为发送的慢，一次塞一行数据。

3.写入关闭，读到0

子进程写入端关闭：

4.读取关闭，写入

管道是单向的：读端关闭，在写入就没有意义了：OS会终止写端，会给写进程发送信号，终止写端

管道特征

1.管道的生命周期随进程，进程退出，管道释放

2.管道可以用来进行具有血缘关系的进程间通信（常用于父子通信）

3.管道是面向字节流的

4.半双工—单向通信（特殊）

5.互斥与同步机制——对共享资源进行保护的方案

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2.3命名管道

我们前面已经知道：匿名管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。

那如果两个毫不相干的进程间通信交互呢？如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。

命名管道是一种特殊类型的文件

mkfifo

NAME
       mkfifo - make FIFOs (named pipes)

SYNOPSIS
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
RETURN VALUE
       On success mkfifo() returns 0.  In the case of an error, -1 is returned (in which case, errno is set appropriately).

在当前路径下直接创建命名管道：

mkfifo named_pipe

往管道文件写东西：

两个进程打开同一个文件：站在内核的角度，第二个文件不需要继续创建struct file对象，因为OS会识别到打开的文件被打开了。在内核中，此时就看到了同一份资源，有着操作方法和缓冲区，不需要把数据刷新到磁盘上去，不需要IO。所以无论是匿名还是命名，本质都是管道。

匿名管道通过继承的方式看到同一份资源。命名管道：通过让不同的进程打开指定名称（路径+文件名，具备唯一性）的同一个文件看到同一份资源。所以命名管道是通过文件的文件名来标定唯一性的。而匿名管道是通过继承的方式来标定的。

创建管道文件

准备工作

分为三个文件：comm.hpp:公共文件（同一份资源），:读取端,：写入端

在目录tmp下创建文件：

:

#include "comm.hpp"
int main()
{
    bool ret = createFifo(NAMED_PIPE);
    assert(ret);
    (void)ret;
    return 0;
}

comm.hpp:

#pragma once
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <cassert>

#define NAMED_PIPE "/tmp/"

bool createFifo(const std::string &path)
{
    umask(0);
    int n = mkfifo(path.c_str(),0666);
    if(n==0) return true;
    else
    {
        std::cout<<"errno:"<<errno<<"err string:"<<strerror(errno)<<std::endl;
        return false;
    }
}

运行：

删除管道文件

unlink

注意头文件，函数的参数以及返回值这三个主要部分：

NAME
       unlink - remove a directory entry

SYNOPSIS
       #include <unistd.h>

       int unlink(const char *path);
RETURN VALUE
       Upon successful completion, 0 shall be returned. Otherwise, -1 shall be returned and errno set to indicate the error. If -1 is returned, the named file shall not be changed.

在comm.hpp中封装好删除的函数：

void removeFifo(const std::string &path)
{
    int n = unlink(path.c_str());
    assert(n==0);
    (void)n;//防止n没使用而警告
}

在中进行调用：

#include "comm.hpp"

int main()
{
    bool ret = createFifo(NAMED_PIPE);
    assert(ret);
    (void)ret;

    removeFifo(NAMED_PIPE);
    return 0;
}

至此，创建和删除管道文件的操作我们实现完毕。下面进入通信环节

通信

其实在了解完了匿名管道之后，对于命名管道我们能够更好的理解：

(写端):

#include "comm.hpp"

int main()
{
    int wfd = open(NAMED_PIPE,O_WRONLY);
    if(wfd<0) exit(1);
    //write
    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        std::cout<<"Please Say:";
        fgets(buffer,sizeof(buffer),stdin);
        //if(strlen(buffer)>0) buffer[strlen(buffer)-1] = 0;
        ssize_t n = write(wfd,buffer,strlen(buffer));
        assert(n==strlen(buffer));
        (void)n;
    }
    close(wfd);
    return 0;
}

(读端):

#include "comm.hpp"

int main()
{
    bool ret = createFifo(NAMED_PIPE);
    assert(ret);
    (void)ret;

    int  rfd = open(NAMED_PIPE,O_RDONLY);
    if(rfd<0) exit(1);

    //read
    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        ssize_t s = read(rfd,buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(s>0)
        {
            buffer[s] = 0;
            std::cout<<"client->server" <<buffer<<std::endl;
        }
        else if(s==0)
        {
            std::cout<<"client quit，俺也一样"<<std::endl;
            break;
        }
        else
        {
            std::cout<<"err string:"<<strerror(errno)<<std::endl;
            break;
        }
    }
    close(rfd);
    removeFifo(NAMED_PIPE);
    return 0;
}

进行通信：

读端多出一行空行：写端输入之后多按了回车，修改为buffer[strlen(buffer)-1] = 0;

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总结

进程间通信的内容是比较多的，在这里，本文只是对进程间通信——管道这一部分进行介绍，后续会继续更新其他部分。

我们从进程间通信开始介绍，而后进入了进程间通信——管道这部分，管道又分为匿名管道和命名管道，以及之间的区别，匿名管道需要具有血缘关系的进程，而命名管道则不需要，同时，匿名管道通过子进程继承文件地址的方式，看到同一个内存级文件，而命名管道通过不同进程打开同一个文件，看到同一份资源。至此，对于管道的理解我们就先到这里结束。