Linux系统编程【进程间通信】

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01. 学习目标

• 说出并理解管道的读写行为
• 熟练使用pipe进行父子进程间通信
• 熟练使用fifo进行无血缘关系的进程间通信
• 熟练掌握mmap函数的使用
• 使用mmap进行有血缘关系的进程间通信
• 使用mmap进行无血缘关系的进程间通信

02. 进程间通讯概念

进程是一个独立的资源分配单元，不同进程（这里所说的进程通常指的是用户进程）之间的资源是独立的，没有关联，不能在一个进程中直接访问另一个进程的资源。

但是，进程不是孤立的，不同的进程需要进行信息的交互和状态的传递等，因此需要进程间通信( IPC：Inter Processes Communication )。

进程间通信的目的：

• 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。
• 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）。
• 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了做到这一点，需要内核提供互斥和同步机制。
• 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。

Linux 操作系统支持的主要进程间通信的通信机制：

03.无名管道

3.1 概述

管道也叫无名管道，它是是 UNIX 系统 IPC（进程间通信） 的最古老形式，所有的 UNIX 系统都支持这种通信机制。

管道有如下特点：

1. 半双工，数据在同一时刻只能在一个方向上流动。

2. 数据只能从管道的一端写入，从另一端读出。

3. 写入管道中的数据遵循先入先出的规则。

4. 管道所传送的数据是无格式的，这要求管道的读出方与写入方必须事先约定好数据的格式，如多少字节算一个消息等。

5. 管道不是普通的文件，不属于某个文件系统，其只存在于内存中。

6. 管道在内存中对应一个缓冲区。不同的系统其大小不一定相同。

7. 从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读走，它就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据。

8. 管道没有名字，只能在具有公共祖先的进程（父进程与子进程，或者两个兄弟进程，具有亲缘关系）之间使用。

对于管道特点的理解，我们可以类比现实生活中管子，管子的一端塞东西，管子的另一端取东西。

管道是一种特殊类型的文件，在应用层体现为两个打开的文件描述符。

3.2 pipe函数

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);
功能：创建无名管道。

参数：
    pipefd : 为 int 型数组的首地址，其存放了管道的文件描述符 pipefd[0]、pipefd[1]。
    
    当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符 fd[0] 和 fd[1]。其中 fd[0] 固定用于读管道，而 fd[1] 固定用于写管道。一般文件 I/O的函数都可以用来操作管道(lseek() 除外)。

返回值：
    成功：0
    失败：-1

下面我们写这个一个例子，子进程通过无名管道给父进程传递一个字符串数据：

#define SIZE 64

    int fds[2]= {0};
    int ret = -1;
    char buf[SIZE]={0};
    pid_t pid = -1;

    //创建一个无名管道
    ret = pipe(fds);
    if(ret == -1)
    {
        printf("pipe");
        exit(1);
    }
    
    //创建一个子进程
    pid = fork();
    if(ret < 0)
    {
        printf("fock");
        return 1;
    }

    //子进程执行
    if(0 == pid)
    {
        //关闭写端
        close(fds[1]);
        //读管道的内容
        memset(buf,0,SIZE);
        ret = read(fds[0],buf,SIZE);
        if(-1 == ret)
        {
            printf("read");
            exit(-1);
        }
        printf("child process read:%s\n",buf);

        //关闭读端
        close(fds[0]);
        //进程退出
        exit(1);
    }

    //父进程
    //关闭读端
    close(fds[0]);

    //写管道内容
    ret = write(fds[1],"ABCDEFG",7);
    if(ret < 0)
    {
        perror("write");
        exit(1);
    }
    printf("parent process wirte: %d\n",ret);

    //关闭写端
    close(fds[1]);

运行结果：

parent process wirte: 7
child process read:ABCDEFGc

如果子进程先执行，没数据会发生阻塞；等待父进程写，就会读出来。

3.3 管道的读写特点

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：

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：

   • 管道写端被全部关闭，read返回0 (相当于读到文件结尾)

   • 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)

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，使进程终止)

2. 管道读端没有全部关闭：

   • 管道已满，write阻塞。

   • 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

3.4 设置为非阻塞的方法

设置方法：

//获取原来的flags
int flags = fcntl(fds[0], F_GETFL);
// 设置新的flags
flag |= O_NONBLOCK;
// flags = flags | O_NONBLOCK;
fcntl(fds[0], F_SETFL, flags);

结论： 如果写端没有关闭，读端设置为非阻塞， 如果没有数据，直接返回-1。

3.5 查看管道缓冲区命令

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。

3.6 查看管道缓冲区函数

  //查看管道缓存数
    printf("pipe size: %ld\n",fpathconf(fds[0],_PC_PIPE_BUF));
    printf("pipe size: %ld\n",fpathconf(fds[1],_PC_PIPE_BUF));

运行结果:

pipe size: 4096
pipe size: 4096