目录

一、进程通信

1.进程间通信介绍

2.进程间通信目的

3.进程间通信发展

4.进程间通信分类

二、管道

1.什么是管道

2.匿名管道

3.用fork来共享管道原理

4.站在文件描述符角度-深度理解管道​编辑

5.编程模拟实现父子进程在管道读写通信​编辑

6.进程控制：

6.1 父进程控制单个子进程

6.2父进程控制批量子进程

 6.3初识负载均衡：​

7.站在内核角度-管道本质​

 7.1例：在minishell中添加管道的实现：

8.管道读写规则

9.管道特点

10.管道的特征总结：

11.命名管道

11.1 创建一个命名管道

11.2 匿名管道与命名管道的区别

11.3 命名管道的打开规则

11.4 例：用命名管道实现文件拷贝

11.5 例：用命名管道实现server&client通信（C语言实现）

12. 用命名管道实现server&client通信（C++实现）

13.模拟实现两个互不相干的进程进行通信：

后记：●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！

                                                                           ——By 作者：新晓·故知

一、进程通信

1.进程间通信介绍

通信之前，需要让不同的进程（进程具有独立性）看到同一份资源（文件、内存块等）

我们要学的进程间通信，不是告诉我们如何通信，而是两个进程如何先看到同一份资源！

资源的不同，决定了不同种类的通信方式！

2.进程间通信目的

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。

3.进程间通信发展

管道 System V进程间通信 POSIX进程间通信

4.进程间通信分类

管道 匿名管道pipe 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

二、管道

1.什么是管道

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” 管道：提供共享资源的一种手段！

2.匿名管道

#include 功能: 创建一无名管道 原型: int pipe(int fd[2]); 参数: fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端 返回值:成功返回0，失败返回错误代码

实例代码

例子：从键盘读取数据，写入管道，读取管道，写到屏幕
#include 
#include 
#include 
#include 
int main( void )
{int fds[2];char buf[100];int len;if ( pipe(fds) == -1 )perror("make pipe"),exit(1);// read from stdinwhile ( fgets(buf, 100, stdin) ) {len = strlen(buf);// write into pipeif ( write(fds[1], buf, len) != len ) {perror("write to pipe");break;}memset(buf, 0x00, sizeof(buf));// read from pipeif ( (len=read(fds[0], buf, 100)) == -1 ) {perror("read from pipe");break;}// write to stdoutif ( write(1, buf, len) != len ) {perror("write to stdout");break;}}
}

3.用fork来共享管道原理

4.站在文件描述符角度-深度理解管道

 5.编程模拟实现父子进程在管道读写通信

mypipe:pipe.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:rm -f mypipe

 

#include 
#include 
#include 
using namespace std;int main()
{int pipefd[2] = {0};if (pipe(pipefd) != 0){cerr << "pipe" << endl;return 1;}cout << "fd[0]: "<

 模拟父子进程在管道读写通信：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;int main()
{//1.创建管道int pipefd[2] = {0};if (pipe(pipefd) != 0){cerr << "pipe" << endl;return 1;}// 2.创建子进程pid_t id = fork();if (id < 0){cerr << "fork error" << endl;return 2;}else if( id == 0){//child//子进程来进行读取，子进程就应该关掉写端close(pipefd[1]);#define NUM 1024char buffer[NUM];while(true){memset(buffer,0,sizeof(buffer));ssize_t s = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);if(s>0){//读取成功buffer[s] = '\0';cout<< "子进程收到消息，内容是："<嘴巴 ——>读//1——>笔  ——>写pid_t res = waitpid(id,nullptr,0);if(res > 0){cout<<"等待子进程成功！"<

（1）当父进程没有写入数据的时候，子进程在等！所以，父进程写入之后，子进程才能read（会返回） 到数据，子进程打印读取数据要以父进程的节奏为主！

（2）父进程和子进程读写的时候，是有一定的顺序性的！

在管道这里，管道是可以被写满的。查看管道信息指令：ulimit -a

管道内部，如果没有数据，reader就必须阻塞等待（read），等管道有数据。

管道内部，如果数据被写满，writer就必须阻塞等待（write），等待管道中有空间。

以上，具有顺序性是因为pipe内部自带访问控制机制！（同步和互斥机制）

（3）我们之前所学的父、子进程各自printf（向显示器写入，显示器也是文件）的时候，会有顺序吗？

没有。这个没有访问控制机制！

（4）阻塞等待的本质：

将当前进程的task_struct放入等待队列中！

6.进程控制：

控制进程根据需求做出响应。

6.1 父进程控制单个子进程

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include using namespace std;typedef void (*functor)(); // 函数指针
vector functors;  // 方法集合
// for debug
unordered_map info;void f1()
{cout << "这是一个处理日志的任务，执行的进程 ID [" << getpid() << "]"<< "执行时间是[" << time(nullptr) << "]" << endl;
}void f2()
{cout << "这是一个备份任务，执行的进程 ID [" << getpid() << "]"<< "执行时间是[" << time(nullptr) << "]" << endl;
}
void f3()
{cout << "这是一个处理网络连接的任务，执行的进程 ID [" << getpid() << "]"<< "执行时间是[" << time(nullptr) << "]" << endl;
}void loadFunctor()
{info.insert({functors.size(), "处理日志的任务"});functors.push_back(f1);info.insert({functors.size(), "备份数据任务"});functors.push_back(f2);info.insert({functors.size(), "处理网络连接的任务"});functors.push_back(f3);
}int main()
{// 0.加载任务列表loadFunctor();// 1.创建管道int pipefd[2] = {0};if (pipe(pipefd) != 0){cerr << "pipe error" << endl;return 1;}// 2.创建子进程pid_t id = fork();if (id < 0){cerr << "fork error" << endl;return 2;}else if (id == 0){// 3.关闭不需要的文件fd//  child,readclose(pipefd[1]);// 4.业务处理while (true){uint32_t operatorType = 0;// 如果有数据就读取。如果没有数据，就阻塞等待，等待任务的到来ssize_t s = read(pipefd[0], &operatorType, sizeof(uint32_t));if(s == 0){cout<<"需求已完成，我即将退出服务状态!"<

6.2父进程控制批量子进程

进程如何控制批量进程呢？

这里进程池机制。那么将给哪一个进程指派？给它指派什么任务呢？通过什么指派呢？（通过管道指派）

shell脚本指令：

 while :; do ps axj | head -1; ps ajx |grep mypipe | grep -v grep; sleep 1; done

 6.3初识负载均衡：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include using namespace std;typedef void (*functor)(); // 函数指针
vector functors;  // 方法集合
// for debug
unordered_map info;void f1()
{cout << "这是一个处理日志的任务，执行的进程 ID [" << getpid() << "]"<< "执行时间是[" << time(nullptr) << "]\n" << endl;
}void f2()
{cout << "这是一个备份任务，执行的进程 ID [" << getpid() << "]"<< "执行时间是[" << time(nullptr) << "]\n" << endl;
}
void f3()
{cout << "这是一个处理网络连接的任务，执行的进程 ID [" << getpid() << "]"<< "执行时间是[" << time(nullptr) << "]\n" << endl;
}void loadFunctor()
{info.insert({functors.size(), "处理日志的任务"});functors.push_back(f1);info.insert({functors.size(), "备份数据任务"});functors.push_back(f2);info.insert({functors.size(), "处理网络连接的任务"});functors.push_back(f3);
}typedef pair elem;
//第一个int32_t:进程pid，第二个int32_t:该进程对应的管道写端fd
vector assignMap;
int processNum = 5;void work(int blockFd)
{cout << "进程[" << getpid() << "]" << "开始工作" << endl;// 子进程核心工作的代码while (true){// a.阻塞等待  b.获取任务uint32_t operatorCode = 0;ssize_t s = read(blockFd, &operatorCode, sizeof(uint32_t));if (s == 0)break;assert(s == sizeof(uint32_t));(void)s;// c.处理任务if (operatorCode < functors.size())functors[operatorCode]();}cout<<"进程["< &processFds)
{srand((long long)time(nullptr));while(true){sleep(1);//选择一个进程,选择进程是随机的，没有压着一个进程给任务//较为均匀的将任务给所有的子进程——负载均衡uint32_t pick = rand()% processFds.size();//选择一个任务uint32_t task = rand()%functors.size();//把任务给一个指定的进程write(processFds[pick].second,&task,sizeof(task));//打印对应的提示信息cout << "父进程指派任务——>" << info[task] << "给进程："<< processFds[pick].first << "编号：" << pick << endl;}
}
int main()
{loadFunctor();vector assignMap;// 创建processNum个进程for(int  i =0; i< processNum;i++){//定义保存管道上fd的对象int pipefd[2] = {0};//创建管道pipe(pipefd);//创建子进程pid_t id = fork();if( id == 0){//子进程读取close(pipefd[1]);//子进程执行work(pipefd[0]);close(pipefd[0]);exit(0);}// 父进程做的事情close(pipefd[0]);elem e(id, pipefd[1]);assignMap.push_back(e);}cout<<"Create All Process Success!"< 0){cout << "Wait for: pid=" << assignMap[i].first << "Wait Success!"<< "number:" << i << endl;}}
}

7.站在内核角度-管道本质

所以，看待管道，就如同看待文件一样！管道的使用和文件一致，迎合了“Linux一切皆文件思想”。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define ERR_EXIT(m) \
do \
{ \perror(m); \exit(EXIT_FAILURE); \
} while(0)
int main(int argc, char *argv[])
{int pipefd[2];if (pipe(pipefd) == -1)ERR_EXIT("pipe error");pid_t pid;pid = fork();if (pid == -1)ERR_EXIT("fork error");if (pid == 0) {close(pipefd[0]);write(pipefd[1], "hello", 5);close(pipefd[1]);exit(EXIT_SUCCESS);}close(pipefd[1]);char buf[10] = {0};read(pipefd[0], buf, 10);printf("buf=%s\n", buf);return 0;
}

 7.1例：在minishell中添加管道的实现：

# include 
# include 
# include 
# include 
# include 
# define MAX_CMD 1024
char command[MAX_CMD];
int do_face()
{memset(command, 0x00, MAX_CMD);printf("minishell$ ");fflush(stdout);if (scanf("%[^\n]%*c", command) == 0) {getchar();return -1; }   return 0;
}
char **do_parse(char *buff)
{int argc = 0;static char *argv[32];char *ptr = buff;while(*ptr != '\0') {if (!isspace(*ptr)) {argv[argc++] = ptr;while((!isspace(*ptr)) && (*ptr) != '\0') {ptr++;}continue;}*ptr = '\0';ptr++;}argv[argc] = NULL;return argv;
}
int do_redirect(char *buff)
{char *ptr = buff, *file = NULL;int type = 0, fd, redirect_type = -1;while(*ptr != '\0') {if (*ptr == '>') {*ptr++ = '\0';redirect_type++;if (*ptr == '>') {*ptr++ = '\0';redirect_type++;}while(isspace(*ptr)) {ptr++;}file = ptr;while((!isspace(*ptr)) && *ptr != '\0') {ptr++;}*ptr = '\0';if (redirect_type == 0) {fd = open(file, O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY, 0664);}else {fd = open(file, O_CREAT|O_APPEND|O_WRONLY, 0664);}dup2(fd, 1);}ptr++;}return 0;
}
int do_command(char *buff)
{int pipe_num = 0, i;char *ptr = buff;int pipefd[32][2] = {{-1}};int pid = -1;pipe_command[pipe_num] = ptr;while(*ptr != '\0') {if (*ptr == '|') {pipe_num++;*ptr++ = '\0';pipe_command[pipe_num] = ptr;continue;}ptr++;}pipe_command[pipe_num + 1] = NULL;return pipe_num;
}
int do_pipe(int pipe_num)
{int pid = 0, i;int pipefd[10][2] = {{0}};char **argv = {NULL};for (i = 0; i <= pipe_num; i++) {pipe(pipefd[i]);}for (i = 0; i <= pipe_num; i++) {pid = fork();if (pid == 0) {do_redirect(pipe_command[i]);argv = do_parse(pipe_command[i]);if (i != 0) {close(pipefd[i][1]);dup2(pipefd[i][0], 0);}if (i != pipe_num) {close(pipefd[i + 1][0]);dup2(pipefd[i + 1][1], 1);}execvp(argv[0], argv);}else {close(pipefd[i][0]);close(pipefd[i][1]);waitpid(pid, NULL, 0);}}return 0;
}
int main(int argc, char *argv[])
{           int num = 0; while(1) {  if (do_face() < 0)continue;num = do_command(command);do_pipe(num);}return 0;
}

shell脚本：

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep sleep

总结：

所谓的命令行中的“|”就是匿名管道！

8.管道读写规则

当没有数据可读时

• O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。
• O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。

当管道满的时候

• O_NONBLOCK disable： write调用阻塞，直到有进程读走数据
• O_NONBLOCK enable：调用返回-1，errno值为EAGAIN
• 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0

• 如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号SIGPIPE,进而可能导致write进程退出
• 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。
• 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。

9.管道特点

只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信；通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父、子进程之间就可应用该管道。 管道提供流式服务

• 一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程
• 一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥

管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道

10.管道的特征总结：

1.管道只能用来进行具有血缘关系的进程之间，进行进程间通信，常用于父子进程通信。

2.管道只能单向通信（内核实现决定的）（是半双工的一种特殊情况）。

3.管道自带同步机制（pipe满，writer等待。pipe空，reader等待）  ——自带访问控制。

4.管道是面向字节流的。先写的字符，一定是先被读取，没有格式边界，需要用户自己来定义区分内容的边界,例如：[sizeof(uint32_t)]等。这里牵涉到网络TCP协议等知识。

5.管道的生命周期跟随进程：管道是文件，进程退出后，曾经打开的文件也会退出。

那么只能父子进程（或血缘）进程之间通信吗？毫不相干的进程进行通信可以吗？

答：可以。使用命名管道。

11.命名管道

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。 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

11.1 创建一个命名管道

命名管道可以从命令行上创建，命令行方法是使用下面这个命令： 命名管道也可以从程序里创建，相关函数有： 创建命名管道: $ mkfifo filename int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);

int main(int argc, char *argv[])
{mkfifo("p2", 0644);return 0;
}

11.2 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mkfififo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。

11.3 命名管道的打开规则

如果当前打开操作是为读而打开FIFO时

• O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
• O_NONBLOCK enable：立刻返回成功

如果当前打开操作是为写而打开FIFO时

• O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
• O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO

11.4 例：用命名管道实现文件拷贝

读取文件，写入命名管道:

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define ERR_EXIT(m) \
do \
{ \perror(m); \exit(EXIT_FAILURE); \
} while(0)
int main(int argc, char *argv[])
{mkfifo("tp", 0644);int infd;infd = open("abc", O_RDONLY);if (infd == -1) ERR_EXIT("open");int outfd;outfd = open("tp", O_WRONLY);if (outfd == -1) ERR_EXIT("open");char buf[1024];int n;while ((n=read(infd, buf, 1024))>0){write(outfd, buf, n);}close(infd);close(outfd);return 0;
}

读取管道，写入目标文件:

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define ERR_EXIT(m) \do \{ \perror(m); \exit(EXIT_FAILURE); \} while(0)int main(int argc, char *argv[])
{int outfd;outfd = open("abc.bak", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);if (outfd == -1) ERR_EXIT("open");int infd;infd = open("tp", O_RDONLY);if (outfd == -1)ERR_EXIT("open");char buf[1024];int n;while ((n=read(infd, buf, 1024))>0){write(outfd, buf, n);}close(infd);close(outfd);unlink("tp");return 0;
}

11.5 例：用命名管道实现server&client通信（C语言实现）

# ll
total 12
-rw-r--r--. 1 root root 46 Sep 18 22:37 clientPipe.c
-rw-r--r--. 1 root root 164 Sep 18 22:37 Makefile
-rw-r--r--. 1 root root 46 Sep 18 22:38 serverPipe.c
# cat Makefile
.PHONY:all
all:clientPipe serverPipe
clientPipe:clientPipe.cgcc -o $@ $^
serverPipe:serverPipe.cgcc -o $@ $^
.PHONY:clean
clean:rm -f clientPipe serverPipe

serverPipe.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define ERR_EXIT(m) \
do{\perror(m);\exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)
int main()
{umask(0);if(mkfifo("mypipe", 0644) < 0){ERR_EXIT("mkfifo");}int rfd = open("mypipe", O_RDONLY);if(rfd < 0){ERR_EXIT("open");}char buf[1024];while(1){buf[0] = 0;printf("Please wait...\n");ssize_t s = read(rfd, buf, sizeof(buf)-1);if(s > 0 ){buf[s-1] = 0;printf("client say# %s\n", buf);}else if(s == 0){printf("client quit, exit now!\n");
exit(EXIT_SUCCESS);}else{ERR_EXIT("read");}}close(rfd);return 0;
}

clientPipe.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define ERR_EXIT(m) \
do{\perror(m);\exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)
int main()
{int wfd = open("mypipe", O_WRONLY);if(wfd < 0){ERR_EXIT("open");}char buf[1024];while(1){buf[0] = 0;printf("Please Enter# ");fflush(stdout);ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf)-1);if(s > 0 ){buf[s] = 0;write(wfd, buf, strlen(buf));}else if(s <= 0){ERR_EXIT("read");}}close(wfd);return 0;
}

结果:

12. 用命名管道实现server&client通信（C++实现）

 

 

在之前我们学习过，两个在内存中的进程在磁盘打开同一文件的情况。这其实就是命名管道的运用。

我们知道，进程间通信的本质是：不同的进程要看到同一份资源。

匿名管道：子进程继承父进程，找到同一个资源！

命名管道：通过一个fifo 文件—>有路径—>具有唯一性—>通过路径找到同一个资源！ 

13.模拟实现两个互不相干的进程进行通信：

Makefile：

.PHONY:all
all:clientFifo serverFifoclientFifo:clientFifo.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11
serverFifo:serverFifo.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm  -rf clientFifo serverFifo

serverFifo：接收端行间距有空格是因为entel键。 

comm.h:

 

#pragma once#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include #define IPC_PATH "./.fifo"

 makefile:

 

.PHONY:all
all:clientFifo serverFifoclientFifo:clientFifo.cppg++ -Wall -o $@ $^ -std=c++11
serverFifo:serverFifo.cppg++ -Wall -o $@ $^ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm  -rf clientFifo serverFifo .fifo

serverFifo.cpp:

 

#include "comm.h"
using namespace std;// 读取
int main()
{// extern int errno;umask(0);if (mkfifo(IPC_PATH, 0600) != 0){cerr << "mkfifo error" << endl;return 1;}// cout<<"hello,server"< 0){buffer[s] = '\0';cout << "客户端——>服务器#" << buffer << endl;}else if (s == 0){cout << "客户退出，服务器也将退出！";break;}else{cout << "read:" << strerror(errno) << endl;}}close(pipeFd);cout << "服务端退出！" << endl;unlink(IPC_PATH); // 删除创建的管道文件 .fiforeturn 0;
}

clientFifo.cpp:

 

#include "comm.h"
using namespace std;// 写入
int main()
{int pipeFd = open(IPC_PATH, O_WRONLY);if (pipeFd < 0){cerr << "open:" << strerror(errno) << endl;return 1;}// cout<<"hello,client"<