【Linux系统编程】：进程间的通信与匿名管道

已于 2024-12-19 01:36:18 修改
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分类专栏： Linux 文章标签： linux 服务器 运维
于 2024-11-21 13:28:22 首次发布
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1.进程通信的介绍

1.1 进程通信的发展

早期进程通信的方式 

低级进程通信方式 

 高级进程通信方式

1.2 进程通信的分类 

2. 管道

2.1 管道的原理

2.2 管道的接口

2.3 用pipe实现通信

2.4 管道的五大特征

 2.5 管道通信的四种情况

3. 管道的应用

1.进程通信的介绍

进程是操作系统分配系统资源的单位，每个进程都有独立的内存地址空间。为了确保进程之间是相互独立的，进程间的数据不会冲突，操作系统限制了进程间的访问权限——一个进程不能直接访问另一个进程的数据。但在实际应用中，进程之间往往需要进行信息交换或相互协作，比如以下四种情况，

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并获取其状态。

这时就需要进行进程通信。

1.1 进程通信的发展

早期进程通信的方式 

  • 文件方式：一个进程通过将数据写入文件，另一个进程从该文件中读取数据，从而实现进程间的通信。方式简单但效率低下。
  • 剪切板：在Windows操作系统中，剪贴板首先解决了不同程序间的通信问题。它作为数据交换中心，允许应用程序之间进行复制和粘贴操作。然而，剪贴板传递的都是“死”数据，需要应用程序开发者自行编写、解析数据格式的代码。

低级进程通信方式 

随着操作系统的发展，出现了能够传递状态和整数值的低级进程通信方式。这种方式虽然简单，但通信效率较低，且无法满足大量数据传输和复杂通信需求。

 高级进程通信方式

为了克服低级通信方式的局限性，高级进程通信方式应运而生。高级通信方式能够传递大量数据，提高通信效率，并减轻程序编制的复杂度。高级进程通信主要分为以下几种方式：

  1. 共享内存模式

    共享内存模式允许两个或多个进程共享同一块内存区域。通过这块共享内存，进程可以方便地实现数据交换和通信。这种方式具有通信速度快、效率高的优点，但需要额外的同步机制来保证数据的一致性和完整性。

  2. 消息传递模式

    消息传递模式通过发送和接收消息来实现进程间的通信。每个消息都包含一个数据段和一个类型标识符，接收进程可以根据类型标识符来识别和处理不同的消息。这种方式具有灵活性高、可靠性好的优点，但通信效率可能受到消息大小和传输延迟的影响。

  3. 共享文件模式

    共享文件模式类似于早期的文件通信方式，但进行了改进和优化。进程可以通过访问共享文件来实现数据交换和通信。为了提高效率和可靠性，共享文件模式通常采用文件锁和缓存机制来避免数据冲突和丢失。

1.2 进程通信的分类 

 管道（文件级别的通信方式）：匿名管道pipe，命名管道。

System V IPC：System V IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）是在Unix操作系统上实现进程间通信的一种机制，它引入了一大类进程间通信方法。主要包括System V 消息队列，System V 共享内存，System V 信号量。

 UNIX System V - Wikipedia

POSIX IPC：POSIX IPC（POSIX Inter-Process Communication）是一组在POSIX标准中定义的进程间通信（IPC）机制。主要通过消息队列，共享内存，信号量，互斥量，条件变量，读写锁等方式使进程进行通信。

POSIX - Wikipedia

2. 管道

管道是一种在两个进程之间实现单向通信的机制，它允许一个进程（称为写进程）将数据传输给另一个进程（称为读进程）。

2.1 管道的原理

管道的原理，本质就是让两个进程可以“看到”同一份资源，并进行单项操作。我们如何让两个进程访问同一份资源呢？只要这两个进程是父子关系，就可以做到。

简单的说，管道就是利用子进程继承父进程的文件描述符表（文件描述符所引用的文件表项和i-node是共享的），子进程可以访问父进程打开的文件，也就是说子父进程可以访问同一块文件（注意，该文件是内存级文件，不映射在磁盘中），然后让子父进程对该文件进行单项操作。

图1（这是父进程写子进程读）：

图2（父进程读子进程写）：

问题1：如果要进行双向通信，该怎么办？

答：采用两个管道可以实现双向通信。

问题2：必须是父子进程才可以进行通信吗？

答：不一定，兄弟进程继承同一个父进程的文件描述符表，也可以访问同一个文件。所以兄弟进程也可以实现“管道”。同理，兄弟进程又可以作为父进程创建子进程，而这些进程的文件描述符表本质上都继承于最初的父进程，都可以访问同一块文件。所以，任何具有“血缘”关系的进程都可以利用管道的原理进行通信。

问题3：作为进程通信的内存文件，有没有路径和文件名？inode是多少？

答:这些都没有。该文件只存在于内存中，是通过继承父进程而来，不需要通过路径或者文件名去标定或者识别它，更不需要inode保存该文件的属性和所在磁盘位置。而这种没有名字的管道，我们称为匿名管道。

问题4：为什么管道实现的原理中进程不以读写方式打开同一个文件，而是以两种方式分别打开同一个文件？不麻烦吗？

答：如果以读写的方式打开文件，文件描述符只有一个，不能通过关闭文件描述符实现单向通信。

以上，我们只是为进程通信建立起“管道”，进程并没有真实的进行通信。为什么要弄得这么“复杂呢”？因为进程之间具有独立性，通信是具有成本的。

2.2 管道的接口

Linux Manpages Online - man.cx manual pages

管道创建成功就返回0，失败就返回-1。

pipefd[2]是一个输出型参数，传出两个值，其中pipefd[0]的值表示以“读方式”打开文件的文件描述符，pipefd[1]的值表示以“写方式”打开文件的文件描述符。（一般默认传出的文件描述符是fd[3]，fd[4]）

我们可以编写一个makefile文件和testPipe.cc文件测试一下，

紧接着我们创建一个子进程，并建立“单向信道“（子进程写，父进程读）。

2.3 用pipe实现通信

#include <iostream>
#include <string>

#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <cstdio>

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

#define N 2
#define NUM 1024

using namespace std;

//子进程向管道写入
void Writer(int wfd)
{
    string s = "hello,I am child";
    pid_t self = getpid();
    int number = 0;
    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        //构建待发送的字符串
        buffer[0] = 0;//字符串第一个元素为“\0”，相当于间接清空字符串，
        snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s-%d-%d",s.c_str(),self,number++);//将要传输的内容转换成字符串,并输出到buffer中
        // cout << buffer << endl;
        //发送给父进程
        write(wfd,buffer,strlen(buffer));//字符串写入管道
    }
}
//父进程从管道读取
void Read(int rfd)
{
    //同样，我们也需要创建一个buffer,来接收管道中的数据，并将其转换成字符串格式（数据后加0）
    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        buffer[0] = 0;
        ssize_t n = read(rfd,buffer,sizeof(buffer));//
        if(n > 0)
        {
            //在C和C++中，字符常量0与字符'\0'是等价的，都代表空字符（null character）。
            buffer[n] = 0;
            cout << "father get a message[" << getpid() <<"]#" << buffer << endl;
        }
        //ToDo
    }

}
int main()
{
    // 1.父进程创建管道
    int pipefd[N];
    int n = pipe(pipefd);//unistd.h
    if(n < 0)   
    return 1;
    
    // cout << "pipefd[0]:" << pipefd[0] << " , pipefd[1]:" << pipefd[1] << endl;
    // 2.父进程创建子进程
    pid_t id = fork();//unistd.h
    if(id < 0) return 1;
    if(id == 0)
    {
        //子进程执行任务（写）
        close(pipefd[0]);//unistd.h，建立单向信道

        //IPCcode
        Writer(pipefd[1]);

        //任务执行完毕，可以关掉子进程的另一个文件描述符
        close(pipefd[1]);
        //子进程退出
        exit(0);//cstdlib
    }
    //父进程执行任务（读）
    close(pipefd[1]);//建立单向通道

    //IPCcode
    Read(pipefd[0]);

    //任务执行完毕，可以关掉父进程的另一个文件描述符
    close(pipefd[1]);

    //父进程需要获取子进程的退出状态
    pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);
    if(rid < 0)
        return 3;
    return 0;
}

2.4 管道的五大特征

  • 通过管道进行通信的进程必须具有“血缘关系”。
  • 管道只能单向通信。
  • 管道是基于文件，文件的生命周期与打开文件的进程有关， 当打开文件的所有进程退出时，文件所占资源就会被操作系统回收，即当通过某个管道进行通信的所有进程关闭时，管道会被回收。
  • 管道是面向字节流的。
  • 父子进程是协同的，同步与互斥的——保护管道文件的数据安全。

管道是有大小的。

我们通过代码测试一下管道的大小，我们修改子进程的读取，利用while循环让子进程一直玩管道写入字符'c'，然后让父进程的读取延缓50秒，这样子进程就有足够的时间写满管道。

#include <iostream>
#include <string>

#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <cstdio>

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

#define N 2
#define NUM 1024

using namespace std;

//子进程向管道写入
void Writer(int wfd)
{
    string s = "hello,I am child";
    pid_t self = getpid();
    int number = 0;
    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        // //构建待发送的字符串
        // buffer[0] = 0;//字符串第一个元素为“\0”，相当于间接清空字符串，
        // snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s-%d-%d",s.c_str(),self,number++);//将要传输的内容转换成字符串,并输出到buffer中
        // // cout << buffer << endl;
        // //发送给父进程
        // write(wfd,buffer,strlen(buffer));//字符串写入管道

        //利用while循环将管道写满
        char c = 'c';
        write(wfd,&c,1);
        number++;
        cout << number <<endl;
    }

}
//父进程从管道读取
void Read(int rfd)
{
    sleep(50);//延缓父进程的读取，让子进程写满管道
    //同样，我们也需要创建一个buffer,来接收管道中的数据，并将其转换成字符串格式（数据后加0）
    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        buffer[0] = 0;
        ssize_t n = read(rfd,buffer,sizeof(buffer));//
        if(n > 0)
        {
            //在C和C++中，字符常量0与字符'\0'是等价的，都代表空字符（null character）。
            buffer[n] = 0;
            cout << "father get a message[" << getpid() <<"]#" << buffer << endl;
        }
        //ToDo
    }

}
int main()
{
    // 1.父进程创建管道
    int pipefd[N];
    int n = pipe(pipefd);//unistd.h
    if(n < 0)   
    return 1;
    
    // cout << "pipefd[0]:" << pipefd[0] << " , pipefd[1]:" << pipefd[1] << endl;
    // 2.父进程创建子进程
    pid_t id = fork();//unistd.h
    if(id < 0) return 1;
    if(id == 0)
    {
        //子进程执行任务（写）
        close(pipefd[0]);//unistd.h，建立单向信道

        //IPCcode
        Writer(pipefd[1]);

        //任务执行完毕，可以关掉子进程的另一个文件描述符
        close(pipefd[1]);
        //子进程退出
        exit(0);//cstdlib
    }
    //父进程执行任务（读）
    close(pipefd[1]);//建立单向通道

    //IPCcode
    Read(pipefd[0]);

    //任务执行完毕，可以关掉父进程的另一个文件描述符
    close(pipefd[1]);

    //父进程需要获取子进程的退出状态
    pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);
    if(rid < 0)
        return 3;
    return 0;
}

运行，大概疫苗后，终端输出的最后一行停在65536，说明管道中写满了65536个字节，也就是64KB，大于通过命令“ulimit -a”看到pipe size。

其实不同的内核版本，管道的大小可能不同，

我们当前使用的版本是CentOS7.6，其管道大小是64KB。输入命令"man 7 pipe"，

pipe size可以看作是PIPE_BUF的大小，atomic是原子的，表示一个操作和行为是不可分割的，也就是说当写入的数据小于PIPE_BUF时，会将数据当作一个整体写入管道中。

 2.5 管道通信的四种情况

  1. 读写端正常。管道为空，读端阻塞。
  2. 读写端正常。管道已满，写端阻塞。
  3. 读端正常读，写端关闭，读端读到pipe结尾后,“向管道读去”的进程不会被阻塞。我们实验一下，子进程先写入五个字节，写入后子进程退出，看看父进程会怎么样
//子进程向管道写入
void Writer(int wfd)
{
    string s = "hello,I am child";
    pid_t self = getpid();
    int number = 0;
    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        sleep(1);
        char c = 'c';
        write(wfd,&c,1);
        number++;
        cout << number <<endl;
        if(number >= 5) break;//先写五个字节，写完退出
    }
}
//父进程从管道读取
void Read(int rfd)
{
    //同样，我们也需要创建一个buffer,来接收管道中的数据，并将其转换成字符串格式（数据后加0）
    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        buffer[0] = 0;
        ssize_t n = read(rfd,buffer,sizeof(buffer));//
        if(n > 0)
        {
            //在C和C++中，字符常量0与字符'\0'是等价的，都代表空字符（null character）。
            buffer[n] = 0;
            cout << "father get a message[" << getpid() <<"]#" << buffer << endl;
        }
        //ToDo
        cout << "读取的字节数n:" << n << endl;
    }

}

可以看到，当子进程写完五个字节后，父进程就读到管道结尾，但还是一直打印“读取的字节数n”，我们修改一下父进程读取的代码，

//父进程从管道读取
void Read(int rfd)
{
    //同样，我们也需要创建一个buffer,来接收管道中的数据，并将其转换成字符串格式（数据后加0）
    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        buffer[0] = 0;
        ssize_t n = read(rfd,buffer,sizeof(buffer));//
        if(n > 0)
        {
            //在C和C++中，字符常量0与字符'\0'是等价的，都代表空字符（null character）。
            buffer[n] = 0;
            cout << "father get a message[" << getpid() <<"]#" << buffer << endl;
        }
        else if(n == 0) 
        {
            printf("father read file done!\n");
            break;
        }
        else break;
    }
}

这样父进程读到管道结尾，就会回收子进程并退出。 

        4.写端正常写，读端关闭，操作系统会通过信号杀死正在写入的进程。为什么要这样呢？我们可以这样理解，“因为操作系统不做低效、浪费资源的工作”。

我们编写代码测试一下，子进程一直写，父进程读3秒后关闭读端的文件描述符，然后观察子进程的状态变化。

#include <iostream>
#include <string>

#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <cstdio>

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#define N 2
#define NUM 1024
using namespace std;
//子进程向管道写入
void Writer(int wfd)
{
    string s = "hello,I am child";
    pid_t self = getpid();
    int number = 0;
    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        sleep(1);
        buffer[0] = 0;
        snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s-%d-%d",s.c_str(),self,number++);
        write(wfd,buffer,strlen(buffer));//字符串写入管道
    }

}
//父进程从管道读取
void Read(int rfd)
{
    char buffer[NUM];
    int cnt = 0;
    while(true)
    {
        buffer[0] = 0;
        ssize_t n = read(rfd,buffer,sizeof(buffer));//
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            cout << "father get a message[" << getpid() <<"]#" << buffer << endl;
        }
        else if(n == 0) 
        {
            printf("father read file done!\n");
            break;
        }
        else break;

        cnt++;
        if(cnt == 3) break;
    }

}
int main()
{
    // 1.父进程创建管道
    int pipefd[N];
    int n = pipe(pipefd);//unistd.h
    if(n < 0)   
        return 1;
    // 2.父进程创建子进程
    pid_t id = fork();//unistd.h
    if(id < 0) return 1;
    if(id == 0)
    {
        //子进程执行任务（写）
        close(pipefd[0]);//unistd.h，建立单向信道

        Writer(pipefd[1]);
        close(pipefd[1]);
        exit(0);//cstdlib
    }
    //父进程执行任务（读）
    close(pipefd[1]);//建立单向通道

    //IPCcode
    Read(pipefd[0]);//读5秒
    close(pipefd[0]);//关闭读端的文件描述符
    cout << "father close read fd:" << pipefd[0] << endl;
    sleep(3);//延迟父进程回收，观察子进程的状态

    //父进程需要获取子进程的退出状态
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id,&status,0);
    if(rid < 0)
        return 3;
    cout << "exit code:" << ((status>>8)&0xFF) << "exit signal:" << (status&0x7F) << endl;
    sleep(3);
    cout << "father exit" << endl;
    return 0;
}

运行结果图下， 

3. 管道的应用

bash子进程间的管道通信 

PHP获取时间排除周六、周日的两个方法
10-25
在这段代码中，首先使用`time()`函数获取当前时间的时间戳，然后定义变量`$day`为一天秒数（3600秒/小时 * 24小时/天）。接着定义了一个名为`$total`的变量，它决定了我们想要获取的时间范围（本文示例中为12天，但...
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PHP获取本周所有日期或者最近七天所有日期
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这篇示例主要讲解了如何使用PHP获取近几日、月的时间，以及如何进行时间戳的计算。以下是对这些知识点的详细解释： 1. **date_default_timezone_set**: PHP中的`date_default_timezone_set`函数用于设置默认时区，...
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12-20
此外，还展示了如何获取今天、昨天、明天的日期，以及未来一周、一周后的特定时间点。例如，`date("Y-m-d", strtotime("-1 day"))`会返回昨天的日期，`date("Y-m-d G:i:s", strtotime("+1 week 2 days 4 hours 2 ...
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echo "一周零两天四小时两秒后：" . date("Y-m-d H:i:s", strtotime("+1 week 2 days 4 hours 2 seconds")) . " "; echo "下个星期四：" . date("Y-m-d", strtotime("next thursday")) . " "; echo "上个周一...
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<br /><br /><?php<br />echo "今天:".date("Y-m-d")."<br>";     <br />echo "昨天:".date("Y-m-d",strtotime("-1 day")), "<br>";     <br />echo "明天:".date("Y-m-d",strtotime("+1 day")). "<br>";  <br /> <br />echo "一周后:".date("Y-m-d",strtotime("+1 week")). "<br>";   
PHP 获取当天、近一周、本周、上月、本月、本季度、上季度时间方法大全
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//当天时间 $where['time'] = array( array('egt',strtotime(date('Y-m-d',time()))), array('lt',strtotime(date('Y-m-d',time())).'+1 day') ); // 本周时间 $where['time'] = array( array('egt',strtotime(d
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caiqm_kid的专栏
01-11 172
php判断是否日期格式 /** * date日期类型 * @param $dateTime */ function isDateTime($dateTime) { // 转化时间戳 $ret = strtotime($dateTime); return $ret !== FALSE && $ret != -1; } php获取一周日期与星期几 /** * 天数,默认7天 * @param $time */ function getNowDate($time=7
php 获取七天,php 获取未来七天的日期和星期
weixin_34207880的博客
03-10 127
php获取未来七天的日期和星期代码foreaach($i=4;$i<8;$i++){$dateArray[$i]=date('Y-m-d',strtotime(date('Y-m-d').'+'.$i.'day'))};$b=array();foreach($dateArray as $key=>$value){$b[]=array('id'=>$key,'date'=>$...
php 未来7天,php 获取未来七天的日期和星期
weixin_42294495的博客
03-18 140
for($i=4;$i<8;$i++){$dateArray[$i]=date(‘Y-m-d‘,strtotime(date(‘Y-m-d‘).‘+‘.$i.‘day‘))};$b=array();foreach($dateArray as $key=>$value){$b[]=array(‘id‘=>$key,‘date‘=>$value)};foreach($b as ...
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