目錄

前言

1.進(jìn)程間通信理論

2.使用管道進(jìn)行通信

3.管道的一些信息

4.應(yīng)用場(chǎng)景：進(jìn)程池（基于匿名管道）

5.命名管道

6.總結(jié)

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前言

? 本篇我們開(kāi)始學(xué)習(xí)linux進(jìn)程間通信相關(guān)的內(nèi)容，第一篇我們要介紹的是進(jìn)程間通信的理論概念以及匿名、命名管道通信的詳細(xì)操作，并且我們還會(huì)基于匿名管道實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)程池，加油！！

1.進(jìn)程間通信理論

1.什么是通信

進(jìn)程間通信也叫做IPC技術(shù)

發(fā)展：從單機(jī)通信到網(wǎng)絡(luò)通信

如何理解通信的本質(zhì)問(wèn)題：

1.操作系統(tǒng)需要直接或者間接給通信雙方的進(jìn)程提供 ”內(nèi)存空間“

2.要通信的進(jìn)程，必須看到一份公共的資源

通信前提：要先讓不同的進(jìn)程看到同一份資源【某一種“內(nèi)存”】（我們學(xué)通信實(shí)際上是學(xué)這個(gè)）

不同的通信種類(lèi)：

本質(zhì)就是：上面所說(shuō)的資源，是操作系統(tǒng)的哪一個(gè)模塊提供的

2.為什么要有通信？

有時(shí)候我們是需要多進(jìn)程協(xié)同，然后去完成某種業(yè)務(wù)內(nèi)容比如： cat file | grep 'hello'

3.怎么辦？

進(jìn)程看到的同一份“資源”是由操作系統(tǒng)提供，操作系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)統(tǒng)一的通信接口，這個(gè)接口要如何被調(diào)用就是我們的進(jìn)程間通信的方案，原則就是先統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，后使用

進(jìn)程間通信的方案

采用標(biāo)準(zhǔn)做法：

POSIX —— 讓通信過(guò)程可以跨主機(jī)

System V —— 聚焦在本地通信

采用文件做法讓不同的進(jìn)程看到同一份資源：

1.管道——基于文件系統(tǒng)

a.匿名管道

b.命名管道

什么是管道

匿名管道，不需要IO，不需要刷新到磁盤(pán)上，和磁盤(pán)甚至沒(méi)關(guān)系，為內(nèi)存級(jí)文件，沒(méi)有所謂的名稱(chēng)

兩進(jìn)程分別以讀和寫(xiě)方式打開(kāi)同一個(gè)文件，為了讓子進(jìn)程也能看到讀寫(xiě)端

一般而言，我們的管道只能用來(lái)進(jìn)行單向數(shù)據(jù)通信，所以需要分別把父子進(jìn)程不需要的fd關(guān)閉

匿名管道：目前能用來(lái)進(jìn)行父子進(jìn)程之間進(jìn)程間通信

2.使用管道進(jìn)行通信

管道是被操作系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計(jì)的，需要配上單獨(dú)的系統(tǒng)調(diào)用

管道函數(shù)：pipe

其中的pipefd為輸出型參數(shù)，用來(lái)存儲(chǔ)打開(kāi)文件后返回的讀寫(xiě)兩個(gè)文件描述符

• 成功時(shí)：返回 0，同時(shí)會(huì)通過(guò)傳入的整數(shù)數(shù)組參數(shù)（如 int pipefd[2]）返回兩個(gè)文件描述符，pipefd[0] 用于從管道讀取數(shù)據(jù)（讀端），pipefd[1] 用于向管道寫(xiě)入數(shù)據(jù)（寫(xiě)端）

• 失敗時(shí)：返回 -1，并設(shè)置 errno 變量以標(biāo)識(shí)具體的錯(cuò)誤原因（如文件描述符用盡、參數(shù)地址不合法等）

[^] ?pipefd0是讀取（想象成嘴巴用來(lái)讀），pipefd1是寫(xiě)入（想象成筆用來(lái)寫(xiě)）?

我們可以看到創(chuàng)建pipe管道這個(gè)文件時(shí)，pipe函數(shù)是不需要傳遞文件路徑的，因?yàn)樗莾?nèi)存級(jí)文件，壓根不需要文件路徑，也就是說(shuō)也不需要文件名，所以叫做匿名管道

那沒(méi)有文件名，要怎么去保證兩個(gè)進(jìn)程打開(kāi)的是同一個(gè)管道文件呢？答：子進(jìn)程繼承父進(jìn)程文件描述符表

各種 ‘printf’

前面幾種的區(qū)別是把內(nèi)容格式化到特定的文件或是字符串內(nèi)，第一種printf就是格式化顯示到顯示器上

3.管道的一些信息

管道的5種特性：

1. 匿名管道只能用來(lái)進(jìn)行具有”血緣關(guān)系“的進(jìn)程進(jìn)行進(jìn)程間通信（通常是父子）

2. 管道文件，自帶同步機(jī)制（后面多線(xiàn)程詳談）

3. 管道是面向字節(jié)流的

4. 管道是單向通信的——屬于半雙工的一種特殊情況

   a. 任何一個(gè)時(shí)刻，一個(gè)發(fā)，一個(gè)收——半雙工

   b. 任何一個(gè)時(shí)刻，可以同時(shí)發(fā)收——全雙工

5. (管道)文件的生命周期是隨進(jìn)程的，進(jìn)程一旦結(jié)束，所打開(kāi)的文件就被操作系統(tǒng)關(guān)閉

管道的4種通信情況：

1. 寫(xiě)慢，讀快——讀端就要阻塞（進(jìn)程），要等寫(xiě)端

2. 寫(xiě)快，讀慢——寫(xiě)端就要阻塞（進(jìn)程），要等讀端

   以上兩種情況是因?yàn)楣艿赖耐綑C(jī)制這一特性形成的

3. 寫(xiě)關(guān)，繼續(xù)讀——read就會(huì)讀到返回值（\0也就是0），表示文件結(jié)尾，如果讓n=read()，那么n的值此時(shí)就為0

4. 讀關(guān)，繼續(xù)寫(xiě)——寫(xiě)端在寫(xiě)入，沒(méi)有任何意義（os不會(huì)做沒(méi)有意義的事情），所以這種情況發(fā)生之后，操作系統(tǒng)會(huì)殺掉寫(xiě)端進(jìn)程，然后發(fā)送異常信號(hào)：13->SIGPIPE

管道的容量

[^] ?也就是65536/1024=64kb?

管道的寫(xiě)入原子性

管道寫(xiě)入的原子性是指：當(dāng)進(jìn)程向管道寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，若數(shù)據(jù)量不超過(guò) PIPE_BUF（如 Linux 中為 4096 字節(jié)，POSIX 規(guī)定至少 512 字節(jié)），該寫(xiě)入操作要么完全成功（數(shù)據(jù)全部寫(xiě)入），要么完全失敗（數(shù)據(jù)未寫(xiě)入），不會(huì)出現(xiàn)部分寫(xiě)入的情況

4.應(yīng)用場(chǎng)景：進(jìn)程池（基于匿名管道）

池化技術(shù)

可以減少我們創(chuàng)建對(duì)應(yīng)某種資源的成本，提高訪(fǎng)問(wèn)時(shí)的效率

如果父進(jìn)程把所有任務(wù)都分配給一個(gè)子進(jìn)程——負(fù)載不均衡

我們要雨露均沾地分配任務(wù)——負(fù)載均衡

幾種方式實(shí)現(xiàn)均衡

1. 輪詢(xún)

2. 隨機(jī)

3. channel添加負(fù)載指標(biāo)

進(jìn)程池信道的建立

#pragma once
#include <iostream>
#include <cstdlib> //cstdlib->stdlib.h
#include <vector>
#include <unistd.h>
using namespace std;
?
//.hpp后綴可以使得方法實(shí)現(xiàn)和聲明在一個(gè)文件，這樣Main.cc在調(diào)用時(shí)只需要包含.hpp頭文件
?
// 進(jìn)程池
?
// 對(duì)（信道）管道進(jìn)行管理
// 先描述：描述管道信息
class channel
{
public:channel(int fd, pid_t id): _wfd(fd),_subid(id){// 使用to_string將fd和id都轉(zhuǎn)成字符加到后面作為名字一部分_name = "channel-" + to_string(_wfd) + "-" + to_string(_subid);}
?~channel() {}
?// 外部需要拿到channel內(nèi)部的信息，我們需要一些get方法int Fd() { return _wfd; }pid_t SubId() { return _subid; }string Name() { return _name; }
?
private:// 每個(gè)管道都需要有對(duì)應(yīng)的文件描述符int _wfd;// 還需要知道對(duì)應(yīng)的子進(jìn)程的idpid_t _subid;// 以及為了之后方便打印提示消息對(duì)應(yīng)管道的名字string _name;
};?
// 要?jiǎng)?chuàng)建多少個(gè)進(jìn)程池
const int gdefaultnum = 5;
?
// 再組織；管理信道（管道）的接口類(lèi)，我們這里通過(guò)vector數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織
class ChannelManager
{
public:ChannelManager() {}~ChannelManager() {}
?void Insert(int wfd, pid_t subid){// 構(gòu)建一個(gè)channel然后push到組織的vector數(shù)組中(先描述，再組織)// channel c(wfd, subid);//_channels.push_back(move(c)); //c為臨時(shí)對(duì)象，應(yīng)該使用右值引用減少拷貝// 或者也可以使用vector容器中提供的emplace_back方法// 直接調(diào)用內(nèi)部構(gòu)造函數(shù)幫我們創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象在插入vector中_channels.emplace_back(wfd, subid);}
?// 打印_channels中各channel的信息的方法void PrintChannels(){for (auto &channel : _channels){cout << channel.Name() << endl;}}
?
private:// 通過(guò)vector來(lái)組織vector<channel> _channels;
};?
// 進(jìn)程池類(lèi)
class ProcessPool
{
public:ProcessPool(int num): _process_num(num){}
?~ProcessPool() {}
?// 子進(jìn)程要做的工作void Work(int rfd){// 偽工作while (true){cout << "我的rfd是: " << rfd << endl;sleep(5);}}
?// 創(chuàng)建進(jìn)程池方法bool Create(){// 要?jiǎng)?chuàng)建process_num個(gè)進(jìn)程for (int i = 0; i < _process_num; i++){// 1. 創(chuàng)建管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);if (n < 0){return false;}
?// 2. 創(chuàng)建子進(jìn)程// 子進(jìn)程讀，父進(jìn)程寫(xiě)int subid = fork();if (subid < 0)return false;else if (subid == 0){// 子進(jìn)程// 3. 關(guān)閉寫(xiě)端close(pipefd[1]);Work(pipefd[0]); // 子進(jìn)程要做的讀端相關(guān)工作close(pipefd[0]);
?// 執(zhí)行完直接退出// 不會(huì)干擾for循環(huán)，只有父進(jìn)程會(huì)一直循環(huán)創(chuàng)建執(zhí)行循環(huán)內(nèi)代碼exit(0);}else{// 父進(jìn)程// 3. 關(guān)閉讀端close(pipefd[0]);// 需要在ChannelManager內(nèi)部把我們的fd和subid信息傳入創(chuàng)建的channel中// 再由ChannelManager把創(chuàng)建好的channel插入到數(shù)組中// 所以在ChannelManager類(lèi)中需要Insert方法來(lái)完成上述操作// 其中我們父進(jìn)程對(duì)應(yīng)的fd文件描述符是寫(xiě)端：pipefd[1]_cn.Insert(pipefd[1], subid);}}// 創(chuàng)建成功return true;}
?// Debug方法中查看每個(gè)channel信道（管道）的信息void Debug(){// 調(diào)用ChannelManager中的PrintChannels方法_cn.PrintChannels();}
?
private:// 進(jìn)程池類(lèi)內(nèi)部需要包含我們的通信信道// 所以我們通過(guò)管理通信信道的類(lèi)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象在進(jìn)程池內(nèi)部ChannelManager _cn;// 要?jiǎng)?chuàng)建的進(jìn)程池對(duì)應(yīng)的進(jìn)程的個(gè)數(shù)，這樣就能確定管道的個(gè)數(shù)int _process_num;
};

采用輪詢(xún)的方式使得負(fù)載平衡

進(jìn)程池相關(guān)完整源代碼可以看：ProcessPool?

5.命名管道

匿名管道只能用來(lái)進(jìn)行具有血緣關(guān)系的進(jìn)程進(jìn)行進(jìn)程間通信（常用于父子進(jìn)程）

如果兩個(gè)進(jìn)程不相關(guān)，該如何進(jìn)行通信呢？

通過(guò)上圖其實(shí)我們就已經(jīng)通過(guò)打開(kāi)同一路徑下的同一個(gè)文件來(lái)做到讓不同的進(jìn)程看到了同一份資源（進(jìn)程間通信的前提），而因?yàn)槲募新窂?#xff08;使得這個(gè)路徑下文件具有唯一性，通過(guò)路徑來(lái)區(qū)分）、有名字——所以這種通信的方式叫做——命名管道！

我們一般文件是要刷新到磁盤(pán)的，我們的命名管道這種作為通信的文件是不能被刷新的，所以命名管道需要一種特殊的文件——管道文件（只會(huì)被打開(kāi)，不需要刷新）

我們通過(guò)mkfifo命令來(lái)創(chuàng)建管道文件，也就是命名管道

echo和cat在執(zhí)行時(shí)就是進(jìn)程（shell運(yùn)行原理，不管是不是內(nèi)建命令，它都是進(jìn)程）

所以上圖中我們就利用命名管道完成了一次進(jìn)程間通信，echo將"hello fifo"重定向輸入，然后cat重定向輸出從fifo中顯示內(nèi)容到終端上

我們可以通過(guò)unlink命令來(lái)刪除管道文件

我們?cè)诖a上可以通過(guò)mkfifo接口來(lái)創(chuàng)建管道文件

記住這里的第一個(gè)參數(shù)是c語(yǔ)言格式的字符，如果用string對(duì)象，得調(diào)用c_str()

路徑加名字就構(gòu)成我們要構(gòu)建的命名管道了

string fifoname = _path + "/" + _name;

int n = mkfifo(fifoname.c_str(), 0666);

[^] ?上圖內(nèi)容不理解沒(méi)關(guān)系，我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)部分才會(huì)進(jìn)一步去理解?

同樣的，我們?cè)诖a上可以用unlink函數(shù)來(lái)關(guān)閉管道文件

[^] ?關(guān)閉成功返回0，失敗返回-1，和mkfifo創(chuàng)建返回邏輯是一樣的?

簡(jiǎn)單用命名管道通信代碼：

comm.hpp

#pragma once
?
#define FIFO_FILE "fifo"

server.cc

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <string>
#include <fcntl.h>
#include "comm.hpp"
using namespace std;
?
int main()
{umask(0);// 新建管道int n = mkfifo(FIFO_FILE, 0666);if (n != 0){cerr << "mkdir fifo error" << endl;return 1;}cout << "mkfifo success" << endl;
?// 以讀打開(kāi)管道文件// write方?jīng)]有執(zhí)行open時(shí)，read方就要在open內(nèi)部阻塞// 直到有人把管道文件打開(kāi)了，open才會(huì)返回int fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY);if (fd < 0){cerr << "open fifo error" << endl;return 2;}cout << "open fifo success" << endl;
?// 正常讀取char buffer[1024];while (true){int number = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (number > 0){// 我們把讀到內(nèi)容當(dāng)成字符串，所以得在n位置加上\0buffer[number] = '\0';cout << "client say: " << buffer << endl;}else if (number == 0){cout << "client quit! me too " << number << endl;break;}else{cerr << "read error" << endl;break;}}
?// 關(guān)閉管道文件close(fd);
?// 刪除管道文件n = unlink(FIFO_FILE);if (n == 0){cout << "remove fifo success" << endl;}else{cout << "remove fifo failed" << endl;}
?return 0;
}

client.cc

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <string>
#include <fcntl.h>
#include "comm.hpp"
using namespace std;
?
int main()
{// client端不需要?jiǎng)?chuàng)建管道文件了，因?yàn)槲覀冊(cè)趕erver端已經(jīng)創(chuàng)建好了int fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY);// 剩下的都是文件操作了if (fd < 0){cerr << "open fifo error" << endl;return 2;}
?// 寫(xiě)入操作string message;int cnt = 1;pid_t id = getpid();while (true){cout << "Please Enter# ";getline(cin, message);message += (",message number: " + to_string(cnt++) + ",[" + to_string(id) + "]");
?// c_str()用于將string對(duì)象轉(zhuǎn)換為 C 風(fēng)格的字符串（即以空字符\0結(jié)尾的字符數(shù)組）int n = write(fd, message.c_str(), message.size());if (n > 0){}}
?close(fd);
?return 0;
}

我們需要先執(zhí)行server編譯后的可執(zhí)行程序，來(lái)創(chuàng)建命名管道，而后它會(huì)阻塞在open那塊，因?yàn)槊艿佬枰獌蓚€(gè)進(jìn)程來(lái)同時(shí)打開(kāi)（我們這里write方?jīng)]有執(zhí)行open時(shí)，read方就要在open內(nèi)部阻塞，直到有人把管道文件打開(kāi)了，open才會(huì)返回），所以接下來(lái)我們需要在另一個(gè)終端上執(zhí)行client編譯后的可執(zhí)行程序，就達(dá)到了用命名管道實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信（從客戶(hù)端進(jìn)程向服務(wù)端進(jìn)程發(fā)送消息）的簡(jiǎn)單效果

當(dāng)我們關(guān)閉寫(xiě)端client時(shí)，讀端的number就為0了，然后也跟著退出后刪除管道文件

6.總結(jié)

命名管道和匿名管道的區(qū)別

其他的特性是完全和匿名管道一樣的，只有一點(diǎn)不同，那就是命名管道可以用來(lái)進(jìn)行讓不相關(guān)進(jìn)程進(jìn)行進(jìn)程間通信，命名管道也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)文件的拷貝