进程间通信之匿名管道

news/2024/12/22 9:18:54/

进程间通信—管道

  • 一、进程间通信介绍
  • 二、管道
    • 1.匿名管道
      • 1.1父进程和一个子进程之间的通信
      • 1.2父进程和多个子进程之间的通信

一、进程间通信介绍

1.进程间为什么要进行通信？
进程间通信的是为了协调不同的进程，使之能在一个操作系统里同时运行，并相互传递、交换信息。

2.进程间通信的目的包括：
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，通知它们发生了某种事情，比如进程终止时需要通知其父进程；
进程间通信（IPC）是一组编程接口，让程序员能够协调不同的进程，使之能在一个操作系统里同时运行，并相互传递、交换信息；
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.进程间通信的分类：
（1）管道：1、匿名管道pipe;2、命名管道mkfifo
（2）System V IPC：1、System V 消息队列;2、System V 共享内存;3、System V 信号量。
（3）　POSIX IPC：1、消息队列;2、共享内存;3、信号量;4、互斥量;5、条件变量;6、读写锁。
那么管道是如何进行通信的？

二、管道

什么是管道？

管道是一种通信机制，通常用于进程间的通信，它表现出来的形式将前面每一个进程的输出（stdout）直接作为下一个进程的输入（stdin）。

1.匿名管道

匿名管道是一种进程间通信机制，它仅限于本地父子进程之间通信，结构简单，类似于一根水管，一端进水另一端出水（单工）也就是只能够单向通信。匿名管道的作用之一是输出重定向。
在这里插入图片描述
所以用匿名管道pipe通信大概分为四部：1、创建匿名管道；2、创建子进程；3、关闭不需要的文件描述符；4、进行通信。

pipe函数，linux中输入 man 2 pipe，可以查看pipe函数，如下：
在这里插入图片描述

#include <unistd.h>
功能:创建一无名管道
原型
int pipe(int pipefd[2]);
参数
pipefd：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-1和错误代码

1.1父进程和一个子进程之间的通信

接下来试着写一下，父进程向管道当中写“i am father”， 子进程从管道当中读出内容, 并且打印到标准输出；先创建管道， 进而创建子进程， 父子进程使用管道进行通信。

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
using namespace std;int main()
{//创建匿名管道int pipefd[2] = {0}; //文件描述符数组int n = pipe(pipefd);if (n < 0) //如果失败，则打印错误码{cout << "pipe error, " << errno << ": " << strerror(errno) << endl;}cout << "读端:" << pipefd[0] << endl;cout << "写端:" << pipefd[1] << endl; //打印出读写端的文件描述符//创建子进程pid_t id = fork(); //子进程中返回0，父进程返回子进程id,出错返会-1assert(id != -1);if (id == 0){// child(子进程)close(pipefd[1]); //关闭不需要的文件描述符，子进程需要读，所以关闭管道写端//pipefd数组中0表示读端；1表示写端char buffer[1024];//不管读数据还是写数据，都需要缓冲区，所以buffer相当于一个缓冲区while (true){sleep(1);int n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1); //read函数//sizeof为什么-1？ 从文件中读取数据到buffer中，因为c语言中字符串的结束//标志是'\0'，而文件中的数据结束尾不需要'\0'，所以buffer的内存要比读出//数据内存大'\0'；相反，往文件中写入数据时，要注意去掉字符串末尾的'\0'，//字符串末尾的'\0'在文件中会变成乱码(^@)if (n > 0){buffer[n] = '\0';cout << "我是子进程,读取到父进程的数据: " << buffer << endl;}else if (n == 0){cout << "我是子进程,读到了文件结尾" << buffer << endl;break;}else{cout << "我是子进程,读取异常" << endl;}}close(pipefd[0]); //关闭子进程中管道的读端exit(0);}// father(父进程)close(pipefd[0]); //父进程写入，关闭读端int cnt = 1; //用来记录写了多少次const string str = "i am father"; //要写入的内容char buffer[1024];while (true){sleep(1);snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s, 计数器:%d", str.c_str(), cnt++);//将数据写入到buffer中write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));//再将buffer中的数据写入管道中}close(pipefd[1]); //关闭父进程中管道的写端return 0;
}

下面是一些open,write,close等函数和文件描述符等有关概念：
系统方面对文件的打开，读写和关闭(open,write,close等用法)
文件描述符
运行结果如下：
在这里插入图片描述
由下述代码看现象：

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
using namespace std;int main()
{int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);if (n < 0){cout << "pipe error, " << errno << ": " << strerror(errno) << endl;}pid_t id = fork();assert(id != -1);if (id == 0){// childint cnt = 5;close(pipefd[1]);char buffer[1024];while (--cnt){sleep(1);int n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);if (n > 0){buffer[n] = '\0';cout << buffer << endl;}else if (n == 0){cout << "我是子进程,读到了文件结尾" << buffer << endl;break;}else{cout << "我是子进程,读取异常" << endl;}}close(pipefd[0]);exit(0);}// fatherclose(pipefd[0]);int cnt = 1;const string str = "i am father";char buffer[1024];while (true){sleep(1);snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s, 计数器:%d", str.c_str(), cnt++);write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));}close(pipefd[1]);return 0;
}

在这里插入图片描述

由上可知：
写端一直写，读端关闭OS会杀死一直在写入的进程。
将上述代码进行小的修改，就可以得到如下现象，代码就不在展示了，四种现象如下：
1.如果read读取完毕了所有的管道数据，如果对方不发，那么就只能等待；
2.如果我们writer端将管道写满了，那么就不能再写。管道的内存是有一定大小的；
3.如果我关闭了写端，读取完毕管道数据，再读，就会read返回0,表明读到了文件结尾；
4.写端一直写,读端关闭，会发生什么呢?没有意义。OS不会维护无意义，低效率，或者浪费资源的事情。OS会杀死一直在写入的进程! OS会通过信号来终止进程，13) SIGPIPE。

1.2父进程和多个子进程之间的通信

父进程写数据，子进程读取数据，父进程和多个子进程之间的通信，首先创建管道，代码如下：

void createProcess(vector<EndPoint> &end_points)
{for (int i = 0; i < CHILDNUMS; ++i){// 1.先创建管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0); // pipe函数成功返回0(void)n;        // linux中，定义一个变量，但是没使用，所以强转为void。(gcc编译可能报错)// 2.创建子进程pid_t id = fork();assert(id != -1); // fork失败返回-1if (id == 0){// 子进程// 关闭不需要的文件描述符,假设父进程写，子进程读close(pipefd[1]); // pipe中1 为写端char buffer[1024];while (true){//...进行读取......}close(pipefd[0]); // 关闭读端exit(0);          // 关闭读端，子进程退出}// 父进程close(pipefd[0]);end_points.push_back(EndPoint(id, pipefd[1])); //将文件描述符管理起来}
}

其中需要注意的是创建子进程，子进程是父进程的拷贝，所以当多次fork后，子进程中含有父进程指向管道的写端，如下图：
在这里插入图片描述
所以在创建管道时，需要关闭多余的管道，改进代码如下：

void createProcess(vector<EndPoint> &end_points)
{vector<int> fds;for (int i = 0; i < CHILDNUMS; ++i){// 1.先创建管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0); // pipe函数成功返回0(void)n;        // linux中，定义一个变量，但是没使用，所以强转为void。(gcc编译可能报错)// 2.创建子进程pid_t id = fork();assert(id != -1); // fork失败返回-1if (id == 0){//关闭子进程多余的fdfor(auto &fd : fds)close(fd);// 子进程// 关闭不需要的文件描述符,假设父进程写，子进程读close(pipefd[1]); // pipe中1 为写端char buffer[1024];while (true){//...进行读取......}close(pipefd[0]); // 关闭读端exit(0);          // 关闭读端，子进程退出}// 父进程close(pipefd[0]);end_points.push_back(EndPoint(id, pipefd[1]));fds.push_back(pipefd[1]);}
}

完整代码如下：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <string.h> //strlen
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;#define CHILDNUMS 3 // 子进程的个数
class EndPoint
{
public:EndPoint(pid_t id, int fd): _child_id(id), _write_fd(fd){}public:pid_t _child_id;int _write_fd;
};
void createProcess(vector<EndPoint> &end_points)
{vector<int> fds;for (int i = 0; i < CHILDNUMS; ++i){// 1.先创建管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0); // pipe函数成功返回0(void)n;        // linux中，定义一个变量，但是没使用，所以强转为void。(gcc编译可能报错)// 2.创建子进程pid_t id = fork();assert(id != -1); // fork失败返回-1if (id == 0){//关闭子进程多余的fdfor(auto &fd : fds)close(fd);// 子进程// 关闭不需要的文件描述符,假设父进程写，子进程读close(pipefd[1]); // pipe中1 为写端char buffer[1024];while (true){int n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);if (n > 0){buffer[n] = '\0';cout << "我是pid=%d的子进程," << getpid() << ";接受到父进程的指令是:" << buffer << endl;}else if (n == 0){cout << "我是子进程pid=" << getpid() << ",读到了文件结尾,并且父进程写端已关闭" << endl;break;}else{cout << "我是子进程,读取异常" << endl;}sleep(1);}close(pipefd[0]); // 关闭读端exit(0);          // 关闭读端，子进程退出}// 父进程close(pipefd[0]);end_points.push_back(EndPoint(id, pipefd[1]));fds.push_back(pipefd[1]);}
}
void ctrlProcess(const vector<EndPoint> &end_points)
{// 对每个子进程下发任务char buffer[1024];int command = 0;int cnt = 0;while (true){cnt %= end_points.size();cout << "输如命令号:";cin >> command;if (command == 0)break;snprintf(buffer, sizeof(buffer), "pid=%d的子进程处理%d任务", end_points[cnt]._child_id, command);write(end_points[cnt]._write_fd, buffer, strlen(buffer));++cnt;sleep(1);}
}
void waitProcess(const vector<EndPoint> &end_points)
{// 需要让子进程全部退出 --- 只需要让父进程关闭所有的write_fd并且要回收子进程的僵尸状态for (int end = 0; end < end_points.size(); ++end){cout << "父进程让子进程退出:" << end_points[end]._child_id << endl;close(end_points[end]._write_fd);waitpid(end_points[end]._child_id, nullptr, 0); //waitpid不需要查看子进程退出信息,所以传nullptrcout << "父进程回收了子进程:" << end_points[end]._child_id << endl;}
}
int main()
{cout << "命令号为0,则退出进程" << endl;// 需要记录子进程的pid和父进程的写端vector<EndPoint> end_points;// 1. 先进行构建控制结构, 父进程写入，子进程读取createProcess(end_points);// 2.控制每个子进程ctrlProcess(end_points);// 3. 处理所有的退出问题waitProcess(end_points);return 0;
}

运行结果如下：
在这里插入图片描述
管道的特点：

  1. 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；
  2. 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；
  3. 管道提供流式服务；
  4. 一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程；
  5. 内核会对管道操作进行同步与互斥；
  6. 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。

http://www.ppmy.cn/news/886982.html

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