Linux高级编程-进程间通信（IPC）

进程之间共享数据的方式可以通过进程通信：

        1、古老的通信方式：无名管道  有名管道  信号

         2、IPC对象通信 ：消息队列(用的相对少，这里不讨论)、共享内存（最高效）、 信号量集             3、socket通信：网络通信、线程信号

这里我们主要介绍下无名管道、有名管道、信号量集、socket通信在后序中会一次介绍。先说下管道相关的知识。

        管道（pipe）是进程间通信（IPC）的一种机制，允许一个进程将数据传输到另一个进程。它具有以下特性和行为：

        1. 半双工模式

        半双工：管道是半双工的，只能单向传输数据，即数据只能从一个方向流动（从写端到读端）。如果需要双向通信，需要两个管道。

        2. 特殊文件

        特殊文件：管道是特殊文件，不支持定位操作。与普通文件不同，管道不支持 lseek 和 fseek，因为它们的读取是基于流的，不像普通文件那样可以随机访问。

        3. 文件IO操作

        文件IO：对管道的读写操作使用文件IO函数，例如 open、read、write 和 close。同样，使用标准库函数如 fgets 和 fread 也可以对管道进行操作，但需要配合文件描述符和流管理。

特性和行为：

        写阻塞：如果管道的缓冲区（通常是 64KB）已满，进一步写入数据会阻塞，直到管道有足够的空间。这个行为保证了数据不会丢失。

        读阻塞：如果管道为空，读操作会阻塞，直到管道中有数据可读。若管道关闭，读操作将返回 0，表示管道已经结束。

        管道破裂：如果管道的读端被关闭，而写端仍存在，写操作会失败，通常返回 EPIPE 错误（Broken pipe）。也可以通过触发它关闭程序。

        正常结束：如果管道的写端关闭且管道中没有数据，读操作将返回 0，表示管道已经关闭，没有更多数据可读。

gdb调试中可以使用 set folloe -fork(回车)  -mode f child/parent选择进程进行调试

一、无名管道

        无名管道（anonymous pipe）是一种用于在相关进程间进行简单数据通信的机制。它通过一对文件描述符提供了一个半双工的通信通道，即一个进程可以写入数据到管道的写端，另一个进程从管道的读端读取数据。以下是关于无名管道的特性：

        亲缘关系进程：无名管道只能在具有亲缘关系的进程之间使用，通常是父子进程。创建无名管道的进程（通常是父进程）在 fork 调用之后，子进程会继承父进程的文件描述符，允许父子进程通过管道进行通信。

        固定的读写端：无名管道有两个固定的文件描述符，一个用于读取（读端），关闭写的文件描述符pipefd[1] ；另一个用于写入（写端）、关闭读的文件描述符pipefd[0] 。读端和写端在 pipe 调用时被创建，且只能通过文件描述符 pipefd[0] 和 pipefd[1] 进行操作。也可以通过fdopen()转为文件流指针进行使用。

1、创建并打开管道

int pipe(int pipefd[2]);

        功能：创建一个无名管道，并初始化管道的读端和写端。

        参数：

                pipefd[0]：指向管道的读端的文件描述符。

                pipefd[1]：指向管道的写端的文件描述符。

        返回值：成功返回 0；失败返回 -1，并设置 errno 以指示错误。

        注意事项：fork 之前创建，无名管道的创建应在 fork 调用之前进行，以便父进程和子进程共享同一管道的文件描述符。

2、读写

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

        功能：从管道的读端读取数据。

        参数：

                fd：管道的读端文件描述符（pipefd[0]）。

                buf：用于存储读取数据的缓冲区。

                count：要读取的最大字节数。

        返回值：成功时返回读取的字节数，失败时返回 -1。

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

        功能：向管道的写端写入数据。

        参数：

                fd：管道的写端文件描述符（pipefd[1]）。

                buf：包含要写入数据的缓冲区。

                count：要写入的字节数。

        返回值：成功时返回写入的字节数，失败时返回 -1。

3、关闭管道

int close(int fd);

        功能：关闭管道的文件描述符。

二、有名管道

        有名管道 (FIFO - First In, First Out) 是一种特殊类型的文件，它允许进程间通信。与匿名管道不同，有名管道在文件系统中可见，并且通过文件路径进行标识。它在多个不相关进程之间传递数据非常有用，任意进程都可以使用。

        1、创建有名管道：使用 mkfifo 函数创建有名管道

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

参数：pathname：指定有名管道的路径和名称。

          mode：指定文件权限，通常为八进制表示，如 0666（读写权限）。

          返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

        2、打开有名管道：使用 open 函数打开有名管道，注意半双工的特性。

int fd_read = open("./fifo", O_RDONLY);  // 读端打开
int fd_write = open("./fifo", O_WRONLY); // 写端打开

        注意：有名管道尽量不使用 O_RDWR 方式打开，因为这会违背管道的半双工特性；不能使用 O_CREAT 选项创建文件，应使用 mkfifo 函数。

        3、读写管道：通过标准文件 I/O 函数进行读写操作、和文件I\O一样的操作步骤。

read(fd_read, buffer, sizeof(buffer));
write(fd_write, buffer, sizeof(buffer));

        4、删除有名管道：使用 unlink 函数删除有名管道文件。

int unlink(const char *pathname);
pathname：要删除的有名管道路径。
返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

有名管道的关键点：

        同步问题、当读端关闭时，写操作会返回错误，通常是 SIGPIPE 信号；当写端关闭时，读操作返回 0。读写端必须同时存在，否则 open 函数会阻塞，直到另一端打开。亲缘关系进程中的使用、有名管道可以在 fork 之后的亲缘关系进程中使用。

三、信号通信

信号的响应方式分为以下几种：

        Term (终止)：默认操作是终止进程。

        Ign (忽略)：默认操作是忽略信号。

       Core (生成核心转储文件)：默认操作是终止进程并生成一个核心转储文件，用于调试。

 例如：gdb a.out -c core 用于分析核心转储文件。

        Stop (停止)：默认操作是停止进程。

        Cont (继续)：默认操作是继续执行已停止的进程。        

        1、信号发送：通过 kill 命令或系统调用 kill() 函数可以向指定进程发送信号。

kill -9 1000  # 向进程 ID 为 1000 的进程发送 SIGKILL (9) 信号

        2. 使用 kill() 函数发送信号

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);

 参数：

        pid：目标进程的进程 ID。

        sig：要发送的信号编号（可以通过 kill -l 查看所有信号的编号和名称）。

        返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

        3、自发信号：raise() 函数

int raise(int sig);

        4、定时信号：alarm() 函数

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

        作用：在指定的时间之后，系统会自动向进程发送 SIGALRM 信号。常用于实现定时功能。        

        5、暂停进程：pause() 函数

int pause(void);

        作用：使进程暂停执行，直到收到信号；信号的接收和处理。

每个进程对信号有三种默认响应方式：

        默认处理：系统默认的处理方式，如终止进程。

        忽略处理：忽略某些信号，如 SIGKILL (9) 和 SIGSTOP (19) 不可忽略。

        自定义处理：通过信号捕获机制，自定义信号的处理逻辑。

        6、信号处理函数 signal()

typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

  参数：signum：信号编号。

  handler：信号处理函数，可以是以下三种宏之一：

        SIG_DFL：默认处理。

        SIG_IGN：忽略处理。

        自定义处理函数：定义特定的处理逻辑。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
void handle(int num)
{pid_t pid = wait(NULL);printf("wait pid :%d\n",pid);
}
int main(int argc, char *argv[])
{signal(SIGCHLD,handle);pid_t pid = fork();if(pid>0){while(1){printf("father processing...\n");sleep(1);}}else if(0 == pid) {printf("child pid %d\n",getpid());sleep(rand()%3);printf("child will done %d\n",getpid());exit(0);}else {perror("fork");return 1;}return 0;
}