【Linux】匿名管道|命名管道|pipe|mkfifo|管道原理|通信分类|管道的特征和情况
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进程间通信
为什么要有进程间通信
进程通信的目的
进程间通信分类
如何理解通信
管道
匿名管道
管道原理
半双工
通信两问
pipe
演示
管道情况
管道的特征
命名管道
mkfifo指令
mkfifo接口
命名管道提供的是流式服务
匿名管道与命名管道的区别
进程间通信
进程间通信就是在不同进程之间传播或交换信息，进程间通信简称IPC（Interprocess communication）;
通信的本质是让不同进程看到同一份资源；
为什么要有进程间通信
在操作系统中，进程是独立运行的程序，它们之间需要相互协作完成任务。进程间通信的目的是为了实现进程之间的数据共享、协作和同步，从而提高系统的效率和可靠性。
进程通信的目的
- 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
进程间通信分类
管道
- 匿名管道
- 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
管道：管道是基于文件系统的，System V IPC：聚焦在本地通信，POSIX IPC：让通信可以跨主机
如何理解通信
- 进程是相互独立的，想要达到两个进程之间的通信，这个必须要第三方来提供地方；
- 操作系统提供了地点：公共资源；
- 让进程看到这份公共资源，此时进程通信就有了前提；
- 因为公共资源的种类不同，所以通信方式也不一样；
- 如果公共资源是一块内存，那么通信方式就叫做共享内存；
- 如果公共资源是一个文件，也就是struct file结构体，那么就叫做管道。
管道
管道一共有两种通信方案：
匿名管道和命名管道，底层原理基本是一样的，区别是它们各自的侧重点。
匿名管道
匿名管道用于具有血缘关系的进程；常见于父子进程和兄弟进程；
匿名管道子进程继承父进程的文件描述符的内容来的；
管道原理
让父进程以读和写的方式打开同一份文件，相当于一份文件被父进程打开了两次(只是为了好理解才这样表述，实际上创建管道，它有自己独立的接口)；得到了两个不同的文件描述符；
子进程创建的时候，父进程的文件描述符表会被子进程继承下去，所以此时子进程在相同的fd处也指向父进程打开的文件。
文件描述符表一个进程维护一个，但是struct file结构体对象在内存中只有一个，由操作系统维护。
此时，父子进程将看到了同一份公共资源；就是操作系统在内存中维护的struct file对象，并且父子进程也都和这份资源建立了连接。
此时父子进程通信的基础有了，它们就可以通信了。
半双工
管道只允许单向通信（半双工）；
通信时，只能由一端写入另一端读，不能两端同时读或者写。这也就意味着，两个进程在通信时要有一个关闭读端，另一个关闭写端。这样才能保证通信稳定且有序的进行。
什么叫全双工呢？
简单来说，全双工就是通信时允许通信双方同时读或者同时写。
通信两问
构建单向信道时父子进程最后都要关闭一个文件描述符，为什么曾经还要打开呢 ❓
因为如果父进程只以一种方式打开文件，那么fork()后的子进程都是对应着这种方式，这样会导致要么父子进程全是读要么全是写；
也有灵活运用，父子进程读写通信取决于场景，读写位置有时候会换；
对应的一组写和读可以不关闭吗 ❓
可以不关闭，但是防止絮乱，最好关闭（半双）
pipe
创建匿名管道使用的系统调用；
成功返回0，失败返回-1
- 形参：int pipefd[2]是一个输出型参数，是一个数组，该数组只有两个元素，下标分别为0和1。
- 下标为0的元素表示的是管道读端的文件描述符fd。
- 下标为1的元素表示的是管道写端的文件描述符fd。
int main()
{int pipefd[2];int ret = pipe(pipefd);if(ret<0){perror("pipe");}//创建子进程pid_t id = fork();if(0 == id){//子进程 关闭读端close(pipefd[0]);//通信 TODOstd::cout<<"child process close read!"<<std::endl;//子进程写端结束，关闭写端close(pipefd[1]);_exit(0); //退出 清理 }//父进程close(pipefd[1]); //父进程关闭写端//读取数据 TODOstd::cout<<"father process close write!"<<std::endl;//读取完毕 关闭读端close(pipefd[0]);//等待子进程回收//父进程等待子进程结束int status = 0;pid_t pid = waitpid(id,&status,0); //成功返回进程pid 失败返回-1std::cout<<"waitpid:"<<pid<<std::endl;sleep(3);return 0;
}
演示
void writer(int wfd)
{//写端char buff[1024];int count = 0;while(true){//格式化消息，存放到buff缓冲区snprintf(buff,sizeof(buff),"pid:%d,count:%d",getpid(),count++);write(wfd,buff,strlen(buff)); //将缓冲区buff的数据写入管道sleep(1);}
}
void readr(int rfd)
{//读端char buff[1024]; //缓冲区while(true){read(rfd,buff,sizeof(buff)); //在管道的读端 读取缓冲区的数据cout<<"get message:"<<buff<<endl;}
}int main()
{int pipefd[2];int ret = pipe(pipefd);if(ret<0){perror("pipe");}int rfd = pipefd[0]; //读端int wfd = pipefd[1]; //写端int id = fork();if(0 == id) //子进程{close(rfd); //读端 writer(wfd);_exit(0);}//父进程close(wfd);readr(rfd);waitpid(id,nullptr,0); //等待子进程return 0;
}
管道情况
- 如果当前管道里没有数据且写端没有被关闭。表示读取条件不具备，读端进程就会被阻塞，直到写进程写入数据。
- 如果当前管道被写满且读端没有被关闭。表示写条件不具备，写端进程就会被阻塞，直到读进程读入数据。 （管道的空间是有限的，不同系统下的空间大小可能会有所区别。）
- 管道一直在读，但是写端已经被关闭。读端的read会返回0，表示读到了文件的末尾。
- 管道一直在写，但是读端已经被关闭。操作系统会像写端进程发送一个SIGPIPE(13）信号，强行关闭写端进程。（可以通过waitpid获取退出信号）管道也有大小，如果一次传输的数据太大且大于管道容量，linux将不保证写入的原子性。否则保证写入的原子性。
管道的特征
- 匿名管道只能用于具有血缘关系的进程之间的通信，通常使用于父子进程之间
- 管道内部自带同步机制（读写操作的原子性）。这也是为什么我们的读端会在写端写入数据之后才会读取数据。这保证了数据在管道中流通的有序性。
- 管道文件的生命周期随着进程的终止而结束。
- 管道文件在通信时，是以字节流的方式读写数据。
- 管道的通信模式是一种半双工模式。
命名管道
匿名管道只能用于具有血缘关系的进程之间的通信，通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork创建子进程，父子进程通过匿名管道进行通信。如果要实现两个毫不相关进程之间的通信，可以使用命名管道来做到；
- 命名管道是一种特殊类型的文件 (FIFO 文件)，命名管道有自己的路径 + 文件名。
mkfifo指令
通过mkfifo指令来创建一个管道文件：
通过左侧第一个字符可知，这个文件的类型是p,也就是管道文件。
向文件写入，此时命令行陷入了阻塞状态，等待别人读取这个管道的内容。
我们在另外一个Bash中读取该管道 ；发现正常读取了；
mkfifo接口
可以在进程中通过系统调用接口来创建管道mkfifo接口；
- 返回0：创建成功；
- 返回非0：创建失败
int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode)
- pathname：管道文件创建的路径
- mode：管道文件的初始权限
如果要销毁这个管道文件，使用unlink接口
命名管道提供的是流式服务
- 流式概念：提供一个通信的信道，写端就负责写，读端就负责读。但是，具体写多少、读多少完全由上层决定。底层就只提供一个数据通信的信道。它不关心数据本身的一些细节或格式，这叫做面向字节流。
- 流式服务：数据没有明确的分割，一次拿多少数据都行
匿名管道与命名管道的区别
- 匿名管道由pipe函数创建并打开。
- 命名管道由mkfifo函数创建，打开用open
- FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义
