Linux进程间通信：匿名管道命名管道

Linux进程间通信：匿名管道 &命名管道

一、进程间通信目的
二、什么是管道
三、匿名管道创建
- 3.1 系统调用原型
- 3.2 匿名管道创建
四、内核创建匿名管道过程
五、匿名管道性质
- 5.1 匿名管道的4种特殊情况
- 5.2 匿名管道的5种特性
- 5.3 测试源代码
六、命名管道
- 6.1 创建命名管道
- - 1. 命名行创建
- 6.2 代码中创建
七、命名管道性质
- 7.1 匿名管道与命名管道的区别
- 7.2 命名管道的打开规则
八、进程池制作（基于匿名管道和命名管道两个版本）

一、进程间通信目的

进程间通信的本质是不同进程看到同一份资源。该资源一般由操作系统提供！！（比如缓冲区）
进程间通信目的主要有：

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。

二、什么是管道

管道最早是UNIX中的一种进程通信方式。我们把一个进程到另一个进程的一个数据流称为管道！！管道文件时一个纯内存级文件，不需要想磁盘刷新。

在这里插入图片描述

三、匿名管道创建

3.1 系统调用原型

系统中提供了系统调用接口pipe()用于创建匿名管道。

#include <unistd.h>int pipe(int pipefd[2]);

pipefd为输出型参数，pipefd[1]为写端，pipefd[0]为读端！！
创建成功返回0，否则返回-1.

此时创建结果如下：
在这里插入图片描述

3.2 匿名管道创建

在这里插入图片描述

四、内核创建匿名管道过程

在一个进程中，我们分别通过r和w两种方式打开同一个文件，此时进程文件描述符表中存在两个文件描述符fd，指向两个文件结构体对象file。但两个结构体对象指向同一个文件（即相同的inode、同一个方法集、同一块缓冲区）！！

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此时我们通过fork()创建出子进程，子进程继承了父进程的file结构体对象！（新创建的文件属于文件管理，不属于进程管理，所以不需要给子进程也拷贝一份！）
在这里插入图片描述
此时我们将父进程的写段关闭，子进程的读端关闭（即子写父读）。此时我们就形成了一个匿名管道（父子两个进程都看到同一份资源：文件缓冲区；数据从子进程写入到文件中，父进程从文件中读取数据，形成数据流）
在这里插入图片描述

上述这种文件和普通文件不同，不会向磁盘刷新数据。并且文件的缓冲区是父进程和子进程所能看到的同一份资源，而向这种文件我们称之为管道。该管道没有名字，所以被称为匿名管道！！

五、匿名管道性质

5.1 匿名管道的4种特殊情况

正常情况下，如果管道数据为空，此时读端必读等待，直到有数据为止（写段向管道中写入数据）
正常情况下，如果管道数据写满，此时写端会停止写入，直到有空间为止！！
如果写端关闭，读端一直读取，读端读取到的read返回值为0
如果读端关闭，写端一直写入，此时操作系统会通过向写端发送13号信号，直接杀掉写端进程。

5.2 匿名管道的5种特性

匿名管道仅用于具有血缘关系的进程间进行相互通信，常用于父子进程间。
匿名管道默认会给读写端提供同步机制。即管道为空，读端等待写端写入；管道满了，写端等待读端读取。
匿名管道面向字节流，即通过read读取指定大小数据，数据过小不会读取
管道的生命周期随进程。当进程全部退出时，此时管道的引用计数减为0，操作系统会将管道文件释放。
匿名管道具有单向通信特点，是半双工通信的一种特殊情况，数据只能向一个方向流动。
匿名管道具有原子性。当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。即当管道中的数据量小于PIPE_BUF和指定大小时，此时读端会等待子进程写入。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。

5.3 测试源代码

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>using namespace std;#define MAX 1024int main()
{//1. 创建管道int pipefd[2];int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);(void)n;// 2. 创建子进程pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 1;}//3. 关闭不需要的fd, 形成匿名管道int cnt = 5;if(id == 0)//child{close(pipefd[0]);//子进程关闭读端while(true){char message[MAX];// snprintf把原本打印到显示器的信息打印到指定文件中snprintf(message, sizeof(message), "I am child, pid: %d, cnt: %d", getpid(), cnt--);write(pipefd[1], message, strlen(message));//sleep(1);if(cnt == 0) break;cout << "write----" << endl;}cout << "child quit" << endl;exit(0);}//parentclose(pipefd[1]);//父进程关闭写端while(true){// sleep(1);char buffer[MAX];// read 把pipefd[0]对于文件中最大517个字节写入buffer缓冲区中ssize_t n = read(pipefd[0], buffer, 517);if(n == 0){cout << "child quit, me too" << endl;break;}else if(n > 0){buffer[MAX - 1] = 0;cout << "chils say:" << buffer << endl;}break;}cout << "parent quit" << endl;close(pipefd[0]);//回收子进程int status;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if(rid == id){cout << "wait child: " << id << "success" << "exit singal" << (status&0x7f) << endl;}return 0;
}

六、命名管道

匿名管道中能在具有血缘关系的进程间，进行相互通信。那两个毫无关系的独立进程该如何通信了？
在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作的管道称为命名管道。命名管道是一种特殊类型的文件。

6.1 创建命名管道

1. 命名行创建

我们可以在命令行上创建命名管道，创建方式如下：

mkfifo xxx

【实例】：
在这里插入图片描述

6.2 代码中创建

我们也可以在代码中使用系统调用接口创建，函数原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);// mode为带创建管道权限

七、命名管道性质

7.1 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

7.2 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。

八、进程池制作（基于匿名管道和命名管道两个版本）

Linux：进程池制作（基于匿名管道和命名管道两个版本）