【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。
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