【Linux】进程间通信——管道详解

叁歲伎倆 2021-11-23 01:14 505阅读 0赞

每个进程本身具有独立性，故实现进程间通信是有难度的，所以我们要实现进程间通信的前提是想要通信的进程可以“看到”同一份资源（这里主要指同一块内存）。

#### 进程间通信的目的 ####

1.  数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
2.  资源共享：多个进程间需要共享同一份资源。
3.  通知事件：一个进程需要向其他进程发送消息，通知某个事件。
4.  进程控制：方便一个进程对另一个进程掌控并及时了解它状态的改变。

#### 进程间通信的方式 ####

**1. 管道：主要基于文件，因此生命周期也随文件**

匿名管道：用于具有亲缘关系的进程，常用与父子进程间通信。  
——用pipe()创建并打开管道  
命名管道：通过访问同一文件实现通信，两个进程间可无亲缘关系。  
——用mkfifo()创建+open()打开

**2. [System V IPC][]：生命周期随内核**

System V 共享内存：速度最快；不提供同步互斥机制  
System V 消息队列：发送数据块  
System V 信号量：自带同步互斥机制

**3. POSIX IPC：可移植性强，更加简单**  
消息队列 共享内存 信号量  
互斥量 条件变量 读写锁

#### 管道 ####

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**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
管道的特点：

> 1.  管道是半双工的即单向通信，若要实现双向通信则需要创建两个管道
> 2.  提供流式服务
> 3.  内核对管道的操作进行同步与互斥的保证
> 4.  进程退出管道及释放，所以管道的生命周期随进程

##### 匿名管道 #####

只能在具有公共祖先的进程间进行通信。  
**1. 创建匿名管道**  
`#include <unistd,h>`  
`int pipe(int fd[2]);`  
其中fd 是大小为2 的文件描述符数组，fd\[0\]表示读端， fd\[1\]表示写端  
成功返回0，失败返回错误码

读取管道内容  
`read(fd[0],buf,sizeof(buf)-1);`  
若返回值>0表示所读大小，若返回值=0表示文件读完，若返回值<0表示读取失败

向管道内写入  
`write(fd[1],buf,strlen(buf));`

**2. 用fork() 共享管道的原理**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
**3. 站在文件描述符的角度理解管道**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

**4. 管道读写规则**

*  当前没有数据可读时，即read要读而write未写时，read会被阻塞。
 *  当前管道已被写满，即write要写而read不读时，write被阻塞。
 *  若管道写端被关闭，则read返回0。因为不会发生写入所以类似读到文件末尾。
 *  若管道读端被关闭，则write退出。因为此时写入无任何意义，所以被OS退出。
 *  若写入数据不大于PIPE\_BUF（4k~8k），Linux会保证写入的完整性。

##### 命名管道 #####

通过访问同一个文件实现进程间通信，是一个特殊类型的文件。  
**1. 创建命名管道**

1.  命令行：mkfifo filename
2.  函数：`int mkfifo(const char*filename,mode_t mode);`

**2. 管道打开规则**

*  若用读操作打开FIFO，则read被阻塞，直到有进程为write而打开。  
    立即返回成功
 *  若用写操作打开FIFO，则write被阻塞，直到有进程为read而打开。  
    立即返回失败

**3. 例1：用命名管道实现文件拷贝的过程**  
我用一个将“abc”文件拷贝至“abc.bak”中的过程，深刻理解一下命名管道的工作原理

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
1）读取“abc”中的内容写入管道tp 中，实现的主要代码

> mkfifo(“tp”,0644);  
> int infd=open(“abc”,O\_RDONLY);  
> int outfd=open(“tp”,O\_WRONLY);  
> while(n=read(infd,buf,1024)  
> write(outfd,buf,n);

1.  读取管道tp 写入目标文件"abc.bak"中，实现的主要代码

> outfd=open(“abc.bak”,O\_CREAT);  
> infd=open(“tp”,O\_RDONLY);  
> while(n=read(infd,buf,1024)  
> write(outfd,buf,n)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
实现的完整代码：在下篇博客中呈现，大家可以戳链接哦~  
[使用命名管道实例][Link 1]：https://blog.csdn.net/ly\_6699/article/details/97310441  
**例2：用命名管道实现serve和client 的通信**  
这里我将实现serve 从一端写入信息，client从另一端读取并打印消息到显示器上。  
如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
实现的完整代码：在下篇博客中呈现，大家记得戳链接哦~  
https://blog.csdn.net/ly\_6699/article/details/97310441

**4.匿名管道和命名管道的区别**

*  匿名管道需要pipe()创建并打开；命名管道FIFO需要mkfifo()创建+open()打开。
 *  两者最大的区别就是打开方式，其他方面的意义相同。

**博主将理论和代码分开写了，大家需要了解代码的可以关注博主，或者直接戳下面文章的链接。**

[使用命名管道实例][Link 1]  
[进程间通信 — System V IPC][System V IPC]

[System V IPC]: https://blog.csdn.net/ly_6699/article/details/97620618
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20211122/72a56b39898b4fe295887bf3cfe1964c.png
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[Link 1]: https://blog.csdn.net/ly_6699/article/details/97310441
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20211122/c23976db84dc47b1b00085cfe52e43ff.png