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【并发程序设计】11.进程间通信

news 来源：原创 2024/9/29 13:32:39

11.进程间通信

（IPC，InterProcess Communication）进程和进程之间交换信息。

  • 常用通信方式
    • 无名管道（pipe）
    • 有名管道 （fifo）
    • 信号（signal）
    • 共享内存(mmap)
    • 套接字（socket）
  • 过时的IPC通信方式
    • System V IPC
    • 共享内存（share memory）
    • 消息队列（message queue）
    • 信号灯集（semaphore set）

无名管道

无名管道（也称为匿名管道）是UNIX和类UNIX系统下进程间通信的一种机制：

​ 数据读取完后自动删除不会留存

  1. 半双工通信：数据只能在管道的一个方向上流动，具有固定的读端和写端。这意味着在一个时间点上，数据只能在一个方向上被传输，无法同时进行双向通信。
  2. 亲缘关系进程间通信：无名管道通常用于具有亲缘关系的进程之间，如父子进程或兄弟进程之间的通信。一个进程创建管道后，可以通过fork()创建子进程，然后父子进程可以通过这个管道进行数据交换。
  3. 特殊文件形式：无名管道可以看作是一种特殊的文件，对于它的读写可以使用普通的read、write等函数。但它并不属于任何文件系统，不支持如lseek()操作，且只存在于内存中。

读写特性

  • 读管道：
    • 管道中有数据
      • read返回实际读到的字节数。
    • 管道中无数据：
      • 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)
      • 写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu
  • 写管道：
    • 管道读端全部被关闭
      • 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)
    • 管道读端没有全部关闭
      • 管道已满，write阻塞。（管道大小64K）
      • 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

pipe函数

  1. 原型：

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

  2. 功能：pipe函数创建一个管道，用于在两个文件描述符之间进行单向数据传输。一个文件描述符用于读操作，另一个用于写操作。

  3. 参数：

    • int pipefd[2]: 一个包含两个整数的数组。

      • pipefd[0]是管道的读端，

      • pipefd[1]是管道的写端。

  4. 返回值：

    • 成功时，返回0，并在pipefd中设置两个文件描述符。
    • 失败时，返回-1，并设置errno以指示错误类型。

  5. 注意：

    • 只能用于亲缘关系的进程间通信（父子进程，兄弟进程）
    • 管道通信是单工的，一端读，一端写（程序实现设计好）。
    • 数据自己读不能自己写
    • 管道可以用于大于2个进程共享

示例

：一个父进程写，三个子进程读

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main(){int pfd1[2];//文件描述符int re,i;char buf1[20]={0};char buf2[20]={0};pid_t pid;//创建无名管道re = pipe(pfd1);if(re<0){perror("pipe");return 0;}//创建三个子进程for(i=0; i<3; i++){pid = fork();//创建子进程if(pid<0){perror("fork");return 0;}else if(pid == 0)//如果是子进程就退出循环break;}if(i==3)//父进程{//close(pfd1[0]);while(1){strcpy(buf1,"hello world");write(pfd1[1],buf1,strlen(buf1));//写入管道sleep(1);}}else if(i==0)//子进程0{//close(pfd1[1]);        while(1){re=read(pfd1[0],buf2,20);//读取管道数据if(re>0){printf("0read pfd=%s\n",buf2);}    }}else if(i==1)//子进程1{//close(pfd1[1]);        while(1){re=read(pfd1[0],buf2,20);//读取管道数据if(re>0){printf("1read pfd=%s\n",buf2);}    }}else if(i==2)//子进程2{//close(pfd1[1]);        while(1){re=read(pfd1[0],buf2,20);//读取管道数据if(re>0){printf("2read pfd=%s\n",buf2);}    }}
}

在这里插入图片描述

有名管道（命名管道）

有名管道，也称为命名管道或FIFO（First In First Out），是一种特殊类型的管道，它允许不相关的进程通过文件系统进行通信。与无名管道相比，有名管道的一个显著特点是提供了一个路径名与之关联，从而可以在任意两个进程之间进行通信。

​ 数据读取完后自动删除不会留存

以下是有名管道的读写特性：

  • 引用计数影响：当所有指向管道写端的文件描述符都关闭时（即写端引用计数为0），如果有进程尝试从读端读取数据，那么管道中剩余的数据被读取后，再次尝试读取会返回0，类似于读到文件末尾的情况。如果写端的引用计数大于0，即仍有文件描述符指向写端且没有写入数据，那么读端在读取完剩余数据后，再次读取会阻塞，直到有新的数据写入。
  • 信号通知：当所有指向管道读端的文件描述符都关闭时（即读端引用计数为0），如果有进程试图向管道中写入数据，该进程会收到一个SIGPIPE信号，通常这会导致进程异常终止。
  • 特殊文件形式：有名管道在文件系统中以特殊文件的形式存在，这意味着它可以通过路径名被访问，并且可以由任何有相应权限的进程使用。这与无名管道只能在亲缘关系的进程间通信不同。
  • 半双工通信：尽管有名管道允许任意进程间通信，但它仍然是一种半双工通信方式，意味着数据只能在一个方向上流动，不能同时进行读写操作。

特点：

  1. 有名管道可以使非亲缘的两个进程互相通信

  2. 通过路径名来操作，在文件系统中可见，但内容存放在内存中

  3. 文件IO来操作有名管道

  4. 遵循先进先出规则

  5. 不支持leek操作

  6. 单工读写

mkfifo函数

  1. 原型：

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

  2. 功能：mkfifo函数创建一个命名管道（FIFO），该管道存在于文件系统中，可以用于不同进程之间的通信。

  3. 参数：

    • const char *pathname: 管道的路径名。指定创建的命名管道的路径和文件名。

    • mode_t mode: 指定文件的权限位，如读、写、执行权限。通常使用宏定义，例如 S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH 等。

  4. 返回值：

open函数

  1. 原型：

    #include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
int open(const char *pathname, int flags, ...);

  2. 功能：open函数用于打开一个文件，如果成功，则返回一个文件描述符，该文件描述符可用于后续的读写操作。

  3. 参数：

    • const char *pathname: 文件的路径名。指定要打开的文件路径。
    • int flags: 文件打开模式和标志位。常用的标志包括：
      • O_RDONLY: 只读模式
      • O_WRONLY: 只写模式
      • O_RDWR: 读写模式
      • O_CREAT: 如果文件不存在则创建文件
      • O_NONBLOCK（非阻塞）可以用|与其他模式连接，不加这个选项表示阻塞
      • O_EXCL: 与 O_CREAT 一起使用，如果文件已存在则返回错误
      • O_TRUNC: 如果文件存在且可写，则将其长度截断为0
      • O_APPEND: 每次写操作都会追加到文件的末尾
    • mode_t mode: 可选参数，仅在使用 O_CREAT 标志时需要。指定文件的权限位，例如 S_IRUSR（用户读权限）、S_IWUSR（用户写权限）、S_IRGRP（组读权限）等。

  4. 返回值：

    • 成功时，返回文件描述符。
    • 失败时，返回-1，并设置errno以指示错误类型。

注意事项

  1. 程序不能以O_RDWR(读写)模式打开FIFO文件进行读写操作，而其行为也未明确定义，因为如一个管道以读/写方式打开，进程可以读回自己的输出，同时我们通常使用FIFO只是为了单向的数据传递

  2. 第二个参数中的选项O_NONBLOCK，选项O_NONBLOCK表示非阻塞，加上这个选项后，表示open调用是非阻塞的，如果没有这个选项，则表示open调用是阻塞的

  3. **对于以只读方式（O_RDONLY）**打开的FIFO文件，如果open调用是阻塞的（即第二个参数为O_RDONLY），除非有一个进程以写方式打开同一个FIFO，否则它不会返回；如果open调用是非阻塞的的（即第二个参数为O_RDONLY | O_NONBLOCK），则即使没有其他进程以写方式打开同一个FIFO文件，open调用将成功并立即返回。

    对于以只写方式（O_WRONLY）打开的FIFO文件，如果open调用是阻塞的（即第二个参数为O_WRONLY），open调用将被阻塞，直到有一个进程以只读方式打开同一个FIFO文件为止；如果open调用是非阻塞的（即第二个参数为O_WRONLY | O_NONBLOCK），open总会立即返回，但如果没有其他进程以只读方式打开同一个FIFO文件，open调用将返回-1，并且FIFO也不会被打开。

  4. 数据完整性,如果有多个进程写同一个管道，使用O_WRONLY方式打开管道，如果写入的数据长度小于等于PIPE_BUF（4K），那么或者写入全部字节，或者一个字节都不写入，系统就可以确保数据决不会交错在一起。

示例

：两个没有亲缘关系的进程通信

write.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{int re;int fd;char buf[32];//创建管道文件re = mkfifo("/myfifo",0666);if(re<0){perror("mkfifo");return 0;}//打开管道文件fd = open("/myfifo",O_WRONLY|O_NONBLOCK);//只写非阻塞方式打开if(fd<0){perror("open");return 0;}printf("after open\n");//写入管道数据while(1){fgets(buf,32,stdin);//读取键盘输入write(fd,buf,strlen(buf));}
}

read.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{int re;int fd;char buf[32];fd = open("/myfifo",O_RDONLY);//只读阻塞方式打开管道文件if(fd<0){perror("open");return 0;}printf("after open\n");//读取管道数据while(1){     re=read(fd,buf,32);if(re>0)printf("read fifo=%s\n",buf);        else if(re==0)//exit(0);}
}

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