【Linux C编程】第十一章 进程间通信1

一、整体大纲

二、进程间通信概念及方法

       Linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）。 

       在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法，如：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等。随着计算机的蓬勃发展，一些方法由于自身设计缺陷被淘汰或者弃用。现今常用的进程间通信方式有：

       1）管道 (使用最简单)

       2）信号 (开销最小)

       3）共享映射区 (无血缘关系)

       4）本地套接字 (最稳定)

三、进程间通信方法介绍

1. 管道

    （1）管道的概念：

    管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：

    1） 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)

    2）由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。

    3） 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。

    管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。

    管道的局限性：

    1） 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。

    2） 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。

    3） 只能在有公共祖先的进程间使用管道。

    常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信。

    （2）管道相关函数

    创建管道

    int pipe(int pipefd[2]);               成功：0；失败：-1，设置errno

    函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。规定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

    管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢？通常可以采用如下步骤：

    1）父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。

    2）父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。

    3）父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

练习：父子进程使用管道通信，父写入字符串，子进程读出并打印到屏幕？

父进程写子进程读

1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <string.h>
 4 
 5 int main()
 6 {
 7     int fd[2];
 8     pipe(fd);
 9     pid_t pid = fork();
10 
11     if (pid == 0)
12     {
13         //子进程关闭写端
14         close(fd[1]);
15         char buf[256] = {0};
16         while(1)
17         {
18             memset(buf, 0, sizeof(buf));
19             int ret = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
20             if (ret == 0)
21             {
22                 printf("read over!\n");
23                 break;
24             }
25             else if(ret > 0)
26             {
27                 write(STDOUT_FILENO,buf,ret);
28             }
29         }
30     }
31     else if (pid > 0)
32     {
33         //父进程关闭读端
34         close(fd[0]);
35         char buf[256] = {0};
36         int num = 0;
37         while(1)
38         {
39             memset(buf, 0, sizeof(buf));
40             sprintf(buf, "data from parent %d\n", num++);
41             write(fd[1], buf, sizeof(buf));
42             sleep(1);
43         }
44     }
45 
46     return 0;
47 }

    （3）管道的读写行为

    使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）：

    1）如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。

    2） 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。

    3）如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。

    4）如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

    总结：

    1）读管道：  1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。

                          2. 管道中无数据：

                             (1) 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)

                             (2) 写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)

    2）写管道：  1. 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)

                          2. 管道读端没有全部关闭：

                             (1) 管道已满，write阻塞。

                             (2) 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

    练习1：使用管道实现父子进程间通信，完成：ls | wc -l。假定父进程实现ls，子进程实现wc？

                 注意：ls命令正常会将结果集写出到stdout，但现在会写入管道的写端；wc -l 正常应该从stdin读取数据，但此时会从管道的读端读。

实现父进程ls 子进程wc -l

1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 
 4 int main()
 5 {
 6     int fd[2];
 7     pipe(fd);
 8 
 9     pid_t pid = fork();
10     if(pid == 0){
11         //son
12         //son -- > ls
13         //关闭 写端
14         close(fd[1]);
15         //1. 先重定向
16         dup2(fd[0], STDIN_FILENO);//标准输入重定向到管道写端
17         //2. execlp
18         execlp("wc","wc","-l",NULL);
19     }else if(pid > 0){
20         //parent
21         //关闭读端
22         close(fd[0]);
23         //1. 先重定向，标准输出重定向到管道读端
24         dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
25         //2. execlp
26         execlp("ls","ls",NULL);
27     }
28 
29     return 0;
30 }

父子进程实现ps aux | grep bash

1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 
 4 int main()
 5 {
 6     int fd[2];
 7     pipe(fd);
 8 
 9     pid_t pid = fork();
10     if(pid == 0){
11         //son 
12         //son -- > ps 
13         //关闭 读端
14         close(fd[0]);
15         //1. 先重定向
16         dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);//标准输出重定向到管道写端
17         //2. execlp 
18         execlp("ps","ps","aux",NULL);
19     }else if(pid > 0){
20         //parent
21         //关闭写端
22         close(fd[1]);
23         //1. 先重定向，标准输入重定向到管道读端
24         dup2(fd[0],STDIN_FILENO);
25         //2. execlp 
26         execlp("grep","grep","bash",NULL);
27     }
28 
29     return 0;
30 }

执行结果分析：程序执行，发现程序执行结束，shell还在阻塞等待用户输入。这是因为，shell → fork → ./pipe2， 程序pipe2的子进程将stdin重定向给管道，父进程执行的ls会将结果集通过管道写给子进程。若父进程在子进程打印wc的结果到屏幕之前被shell调用wait回收，shell就会先输出$提示符。

    练习2：使用管道实现兄弟进程间通信。 兄：ls  弟： wc -l  父：等待回收子进程？要求，使用“循环创建N个子进程”模型创建兄弟进程，使用循环因子i标示。注意管道读写行为。

实现思路：父进程关闭读写端，两个子进程，一个关闭管道的读端去写，一个关闭管道的写端去读。

兄弟进程间实现ls | wc -l

1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 
 4 int main()
 5 {
 6     int fd[2];
 7     pid_t pid;
 8     int n = 2, i = 0;
 9     pipe(fd);
10 
11     for (i = 0; i < n; i++)
12     {
13         pid = fork();
14         if (pid == 0)
15         {
16             break;
17         }
18     }
19 
20     //兄弟进程
21     if (i == 0)
22     {
23         printf("Brother1 pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
24         //1. 关闭写端
25         close(fd[1]);
26         //2. 先重定向
27         dup2(fd[0], STDIN_FILENO);//标准输入重定向到管道写端
28         //3. 执行execlp
29         execlp("wc","wc","-l",NULL);
30 
31     }
32     //兄弟进程
33     else if (i == 1)
34     {
35         printf("Brother2 pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
36         //1. 关闭读端
37         close(fd[0]);
38         //2. 先重定向，标准输出重定向到管道读端
39         dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
40         //3. execlp
41         execlp("ls","ls",NULL);
42 
43     }
44 
45     else if (i == 2)
46     {
47         //parent
48         //父亲需要关闭读写两端
49         close(fd[0]);
50         close(fd[1]);
51         //回收子进程
52         wait(NULL);
53         wait(NULL);
54     }
55 
56     return 0;
57 }

兄弟进程实现ps aux | grep bash

1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <sys/types.h>
 4 #include <sys/wait.h>
 5 
 6 int main()
 7 {
 8     int fd[2];
 9     pipe(fd);
10     pid_t pid;
11     int n =2,i = 0;
12     for(i = 0; i < n; i ++){
13         pid = fork();
14         if(pid == 0){
15             break;
16         }
17     }
18 
19     //i = 0 ,代表兄长，1 - 代表弟弟，2- 父亲
20     if(i == 0){
21         //兄长进程
22         //1. 关闭读端
23         close(fd[0]);
24         //2. 重定向
25         dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);
26         //3. 执行 execlp
27         execlp("ps","ps","aux",NULL);
28             
29     }else if(i == 1){
30         //弟弟 
31         //1. 关闭写端
32         close(fd[1]);
33         //2. 重定向
34         dup2(fd[0],STDIN_FILENO);
35         //3. 执行ececlp
36         execlp("grep","grep","bash",NULL);
37 
38     }else if(i == 2){
39         //parent 
40         //父亲需要关闭读写两端
41         close(fd[0]);
42         close(fd[1]);
43         //回收子进程
44         wait(NULL);
45         wait(NULL);
46     }
47 
48 
49     return 0;
50 }

    测试：是否允许，一个pipe有一个写端多个读端呢？是否允许有一个读端多个写端呢？

一写多读

1 #include <stdio.h>
  2 #include <unistd.h>
  3 #include <string.h>
  4 
  5 int main()
  6 {
  7     int fd[2];
  8     pid_t pid;
  9     int n = 3, i = 0;
 10     pipe(fd);
 11 
 12     for (i = 0; i < n; i++)
 13     {
 14         pid = fork();
 15         if (pid == 0)
 16         {
 17             break;
 18         }
 19     }
 20 
 21     //兄弟进程
 22     if (i == 0)
 23     {
 24         printf("Brother1 pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
 25         //1. 关闭写端
 26         close(fd[1]);
 27         //2. 先重定向
 28         dup2(fd[0], STDIN_FILENO);//标准输入重定向到管道写读端
 29         //3. 执行execlp
 30         char buf[256] = {0};
 31         while(1)
 32         {
 33             memset(buf, 0, sizeof(buf));
 34             int ret =  read(fd[0], buf, sizeof(buf));
 35             if (ret == 0)
 36             {
 37                 printf("read over");
 38                 break;
 39             }
 40         }
 41     }
 42 
 43     //兄弟进程
 44     else if (i == 1)
 45     {
 46         printf("Brother2 pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
 47         //1. 关闭读端
 48         close(fd[1]);
 49         //2. 先重定向，标准输出重定向到管道读端
 50         dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
 51         char buf[256] = {0};
 52         while(1)
 53         {
 54             memset(buf, 0, sizeof(buf));
 55             int ret =  read(fd[0], buf, sizeof(buf));
 56             if (ret == 0)
 57             {
 58                 printf("read over");
 59                 break;
 60             }
 61         }
 62     }
 63     //兄弟进程
 64     else if (i == 2)
 65     {
 66         printf("Brother3 pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
 67         //1. 关闭读端
 68         close(fd[0]);
 69         //2. 先重定向，标准输出重定向到管道读端
 70         dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
 71         //3. 写数据到写端
 72         int num = 0;
 73         char buf[256] = {0};
 74         while(1)
 75         {
 76             memset(buf, 0, sizeof(buf));
 77             sprintf(buf, "from broth3 %d\n", num++);
 78             int ret = write(fd[1], buf, sizeof(buf));
 79             if (ret == -1)
 80             {
 81                 perror("write err:");
 82                 break;
 83             }
 84             sleep(1);
 85         }
 86     }
 87    else if (i == 3)
 88     {
 89         //parent
 90         //父亲需要关闭读写两端
 91         close(fd[0]);
 92         close(fd[1]);
 93         //回收子进程
 94         wait(NULL);
 95         wait(NULL);
 96         wait(NULL);
 97     }
 98 
 99     return 0;
100 }

结论：一个读多个写会hang住。

多写一读

1 #include <stdio.h>
  2 #include <unistd.h>
  3 #include <string.h>
  4 
  5 int main()
  6 {
  7     int fd[2];
  8     pid_t pid;
  9     int n = 3, i = 0;
 10     pipe(fd);
 11 
 12     for (i = 0; i < n; i++)
 13     {
 14         pid = fork();
 15         if (pid == 0)
 16         {
 17             break;
 18         }
 19     }
 20 
 21     //兄弟进程
 22     if (i == 0)
 23     {
 24         printf("Brother1 pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
 25         //1. 关闭写端
 26         close(fd[1]);
 27         //2. 先重定向
 28         dup2(fd[0], STDIN_FILENO);//标准输入重定向到管道写读端
 29         //3. 执行execlp
 30         char buf[256] = {0};
 31         while(1)
 32         {
 33             memset(buf, 0, sizeof(buf));
 34             int ret =  read(fd[0], buf, sizeof(buf));
 35             if (ret == 0)
 36             {
 37                 printf("read over");
 38                 break;
 39             }
 40         }
 41     }
 42     //兄弟进程
 43     else if (i == 1)
 44     {
 45         printf("Brother2 pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
 46         //1. 关闭读端
 47         close(fd[0]);
 48         //2. 先重定向，标准输出重定向到管道读端
 49         dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
 50         int num = 0;
 51         char buf[256] = {0};
 52         while(1)
 53         {
 54             memset(buf, 0, sizeof(buf));
 55             sprintf(buf, "from broth2 %d\n", num++);
 56             int ret = write(fd[1], buf, sizeof(buf));
 57             if (ret == -1)
 58             {
 59                 perror("write err:");
 60                 break;
 61             }
 62             sleep(1);
 63         }
 64     }
 65     //兄弟进程
 66     else if (i == 2)
 67     {
 68         printf("Brother3 pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
 69         //1. 关闭读端
 70         close(fd[0]);
 71         //2. 先重定向，标准输出重定向到管道读端
 72         dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
 73         //3. 写数据到写端
 74         int num = 0;
 75         char buf[256] = {0};
 76         while(1)
 77         {
 78             memset(buf, 0, sizeof(buf));
 79             sprintf(buf, "from broth3 %d\n", num++);
 80             int ret = write(fd[1], buf, sizeof(buf));
 81             if (ret == -1)
 82             {
 83                 perror("write err:");
 84                 break;
 85             }
 86             sleep(1);
 87         }
 88     }
 89     else if (i == 3)
 90     {
 91         //parent
 92         //父亲需要关闭读写两端
 93         close(fd[0]);
 94         close(fd[1]);
 95         //回收子进程
 96         wait(NULL);
 97         wait(NULL);
 98         wait(NULL);
 99     }
100 
101     return 0;
102 }

结论：一个写多个读会hang住。

    （4）管道缓冲区大小

    可以使用ulimit -a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。通常为：

pipe size            (512 bytes, -p) 8

    也可以使用fpathconf函数，借助参数        选项来查看。使用该宏应引入头文件<unistd.h>

    long fpathconf(int fd, int name);      成功：返回管道的大小         失败：-1，设置errno

    （5）管道优劣

    优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。

    缺点：1. 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。

               2. 只能用于父子、兄弟进程(有共同祖先)间通信。该问题后来使用fifo有名管道解决。

2. FIFO

    FIFO常被称为有名管道，以区分管道(pipe)。管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间。但通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。

    FIFO是Linux基础文件类型中的一种。但FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道。各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道，这样就实现了进程间通信。

创建方式：

    1. 命令：mkfifo 管道名

    2. 库函数：int mkfifo(const char *pathname,  mode_t mode);  成功：0； 失败：-1

         一旦使用mkfifo创建了一个FIFO，就可以使用open打开它，常见的文件I/O函数都可用于fifo。如：close、read、write、unlink等。

fifo_w.c

1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <sys/types.h>
 4 #include <sys/stat.h>
 5 #include <fcntl.h>
 6 #include <string.h>
 7 #include <errno.h>
 8 
 9 int main(int argc,char * argv[])
10 {
11     if(argc != 2){
12         printf("./a.out fifoname\n");
13         return -1;
14     }
15 
16     int ret = mkfifo(argv[1], 0666);
17     if (ret < 0 && errno != EEXIST)
18     {
19         printf("create fifo file %s failed\n", argv[1]);
20         return -1;
21     }
22 
23     // 创建一个 myfifo 文件
24     //打开fifo文件
25     printf("begin open ....\n");
26     int fd = open(argv[1],O_WRONLY);
27     printf("end open ....\n");
28     //写
29     char buf[256];
30     int num = 1;
31     while(1){
32         memset(buf,0x00,sizeof(buf));
33         sprintf(buf,"from write data:%04d",num++);
34         write(fd,buf,strlen(buf));
35         sleep(1);
36         //循环写
37     }
38     //关闭描述符
39     close(fd);
40     return 0;
41 }

fifo_r.c

1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <sys/types.h>
 4 #include <sys/stat.h>
 5 #include <fcntl.h>
 6 #include <string.h>
 7 
 8 int main(int argc,char *argv[])
 9 {
10     if(argc != 2){
11         printf("./a.out fifoname\n");
12         return -1;
13     }
14     printf("begin oepn read...\n");
15     int fd = open(argv[1],O_RDONLY);
16     printf("end oepn read...\n");
17 
18     char buf[256];
19     int ret;
20     while(1){
21         //循环读
22         memset(buf,0x00,sizeof(buf));
23         ret = read(fd,buf,sizeof(buf));
24         if(ret > 0){
25             printf("read:%s\n",buf);
26         }
27     }
28 
29     close(fd);
30     return 0;
31 }

注意：

FIFOs
        Opening the read or write end of a FIFO blocks until the other end is also opened (by another process or thread). See fifo(7) for further details.

open注意事项，打开fifo文件的时候，read端会阻塞等待write端open，write端同理，也会阻塞等待另外一端打开。

【Linux C编程】第十一章 进程间通信2