进程间的通信--管道

一、进程通信的介绍

1.1进程间为什么需要通信

进程之间需要协同。 例如，学校里面的各个管理层之间都是互相联系的，不能只是纵向管理。正是因为进程之间需要协同，协同的前提条件是进程之间需要通信，数据是有类别的，有的数据是通知就绪的，有些数据是单纯所传递数据，有的是控制相关的数据。

事实：进程是具有独立性的，进程=内核数据结构 进程的代码和数据

进程通信的目的：

• 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
• 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的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

1.2进程如何通信

进程之间的通信，成本可能稍微高一些：进程是具有独立性的，任何一个进程开辟的资源，另一个进程是看不到的。之前在聊父子进程的时候，父进程的数据被子进程继承下去，这不属于通信，能继承但是不是一直继承，能传递信息和一直能传递信息是不一样的。

进程间的通信的前提：先让不同的进程看到同一份（操作系统）资源（“一段内存”）。两个进程之间是独立的，要实现通信，需要一个工具，即操作系统，使得两个进程之间有一片相同的内存。操作系统这样做的原因是用户决定的。 如何让操作系统创建资源：

1. 一定是，某一个进程先需要通信，让OS创建一个共享资源
2. OS必须提供很多的系统调用，让进程以系统调用的方式申请系统的资源 OS创建的共享资源的不同、系统调用接口的不同决定进程间通信会有不同的种类。

二、管道

2.1匿名管道

2.1.1文件描述符理解管道

管道本质上是一种内存级文件，它不用往磁盘上进行刷新 首先父进程以读写方式分两次打开一个文件，分两次的原因是为了获得两个 struct file 对象，这样对一个文件就有两个读写指针，让读写操作使用各自独立的指针，这样读写之间就不会相互影响。读写指针记录了当前文件读取或写入的位置，一个 struct file 中只有一个读写指针，在向文件写入（或读取）的时候，读写指针会发生移动，然后再去读取（写入），此时读写指针已经不再最初的位置，无法将刚写入的内容读取上来，因此这里需要分两次以不同的方式打开同一个文件。接着创建子进程，子进程会继承父进程中打开的文件，也就是继承父进程的文件描述符表，此时父子进程就会共享同一个文件资源，子进程可以通过4号文件描述符向文件中进行写入，父进程就可以通过3号文件描述符从文件中进程读取，此时父子进程就实现了数据传输，也就是通信。父子进程看到同一段内存缓冲区，这里我们称之为管道文件。管道只允许单向通信，因为简单。

为什么父子进程会向同一个显示器终端打印数据？ 因为对应的子进程会继承父进程对应的文件描述符表，进而会指向同一个文件，也就意味着父进程往一个文件里面打，子进程也会往一个文件里面打，都会写到同样的一个缓冲区里，操作系统就会刷新到同一个显示器。

---

进程会默认打开三个标准输入标准输出：0,1，2…如何默认打开0,1，2？ 所有的，命令都是bash的子进程，只要bash打开了，默认的子进程就都打开了。

---

为什么子进程主动clos(0/1/2)，不影响父进程继续使用显示器文件？ 内存级引用计数会--，当内存级引用计数减到0，就释放文件资源。

---

父子进程关闭不需要的文件描述符，为什么之前需要打开？ 为了让子进程继承下去。可以不关闭，建议关了，防止万一误写了。

---

为什么管道是单向通信的？ 方式简单，减少开发成本，只让它进行单向通信，任何一个文件刷新到缓冲区里，再把数据刷新到文件里，这个过程本身就是单向的。 生活中我们见到的简单管道都是单向的，比如自来水管道，一个入口一个出口，符合管道的特点。

2.1.2接口使用

可以使用pipe来创建一个无名管道，参数不需要文件路径和文件名

代码语言：javascript复制

int pipe(int pipefd[2]);

fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端 返回值:成功返回0，失败返回错误代码

测试管道接口：

代码语言：javascript复制

#include<iostream>
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<unistd.h>

int main()
{
    int pipefd[2];      // 用于存储管道的两个文件描述符
    int n=pipe(pipefd);    // 创建管道，返回值为0表示成功，-1表示失败
    if(n!=0)           //如果 pipe() 函数返回值不为0，表示管道创建失败
    {
        std::cerr<<"errno: "<<errno<<": "<<"errstring: "<<strerror(errno)<<std::endl;
        return 1;
    }

    std::cout<<"pipefd[0]"<<",pipefd[1]: "<<pipefd[1]<<std::endl;
     //如果管道创建成功，使用 std::cout 打印管道的两个文件描述符 pipefd[0] 和 pipefd[1] 的值
    return 0;
}

上述代码的主要作用是演示如何在C 中使用 pipe() 函数创建管道，并进行简单的错误处理和输出操作。

pipefd[0]->0->管道文件R（读）端、pipefd[1]->1->管道文件W（写）端

---

上面我们创建好管道，接下来创建子进程

让子进程能和父进程进行通信：

代码语言：javascript复制

#include<iostream>
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<string>

const int size=1024;

std::string getOtherMessage()
{
    static int cnt=0;
    std::string messageid=std::to_string(cnt);
    cnt  ;
    pid_t self_id=getpid();
    std::string stringpid=std::to_string(self_id);

    std::string message="messageid: ";
    message =messageid;
    message ="my pid is: ";
    message =stringpid;

    return message;
}

//子进程进行写入
void subProcessWrite(int wfd)
{
    std::string message="father,I am your son process!";
    while(true)
    {
        std::string info=message getOtherMessage();  //子进程发送给父进程的消息
        write(wfd,info.c_str(),info.size()); //写入管道没有写入，没有必要写进去
        sleep(1);
    }
}


//父进程进行读取
void fatherProcessRead(int rfd)
{
    char inbuffer[size];
    while(true)
    {
        ssize_t n=read(rfd,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1);
        if(n>0)
        {
            inbuffer[n]=0;  //==
            std::cout<<"father get message: "<<inbuffer<<std::endl;
        }
    }
}

int main()
{
    int pipefd[2];
    int n=pipe(pipefd);
    if(n!=0)
    {
        std::cerr<<"errno: "<<errno<<": "<<"errstring: "<<strerror(errno)<<std::endl;
        return 1;
    }

    std::cout<<"pipefd[0]"<<",pipefd[1]: "<<pipefd[1]<<std::endl;
    sleep(1);

    //创建子进程
    pid_t id=fork();
    if(id==0)
    {   
        std::cout<<"子进程关闭不需要的fd，准备发消息"<<std::endl;
        sleep(1);
        //子进程 write
        //关闭不需要的fd
        close(pipefd[0]);
        subProcessWrite(pipefd[1]);
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    std::cout<<"父进程关闭不需要的fd，准备收消息"<<std::endl;
    sleep(1);
    //父进程 read
    //关闭不需要的fd
    close(pipefd[1]);
    fatherProcessRead(pipefd[0]);
    close(pipefd[0]);
    
    pid_t rid=waitpid(id,nullptr,0);
    if(rid>0)
    {
        std::cout<<"wait child process done"<<std::endl;
    }
    return 0;
}

getOtherMessage()函数生成一个带有进程ID信息的消息字符串，用于子进程向父进程发送消息。 subProcessWrite(int wfd)函数用于子进程，它不断地生成消息并写入管道 (wfd) 中，每隔一秒发送一次消息 fatherProcessRead(int rfd)函数用于父进程，它不断地从管道 (rfd) 中读取消息并输出到控制台

子进程关闭不需要的管道读取端 (pipefd[0])，调用 subProcessWrite() 发送消息，然后关闭写入端 (pipefd[1])。 父进程关闭不需要的管道写入端 (pipefd[1])，调用 fatherProcessRead() 接收消息，然后关闭读取端 (pipefd[0])。

2.1.3管道的4种情况

1. 如果管道是空的，并且写端文件描述符没有关闭，读取条件不具备，读进程（父进程）会被阻塞，自动等待读取条件具备（写入进程再重新写入）。

在sleep（1）时间内，管道内部没有数据，父进程就在阻塞等待。

1. 如果管道被写满了，读端不进行读写但是没有关闭，此时写进程会被阻塞（管道被写满，即写条件不具备），直到写条件具备（读取数据）。
2. 管道一直在读并且写端关闭了fd，读端会读到0，表示读到了文件结尾。

代码语言：javascript复制

//子进程进行写入
void subProcessWrite(int wfd)
{
    std::string message="father,I am your son process!";
    int pipesize=0;
    char c='A';
    while(true)
    {
        write(wfd,&c,1);
        std::cout << "pipesize: " <<   pipesize << " write charator is : "<< c   << std::endl;
        if(c=='G') break;
        sleep(1);
    }
    std::cout<<"child quit..."<<std::endl;
}


//父进程进行读取
void fatherProcessRead(int rfd)
{
    char inbuffer[size];
    while(true)
    {
        ssize_t n=read(rfd,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1);
        if(n>0)
        {
            inbuffer[n]=0;  //==
            std::cout<<"father get message: "<<inbuffer<<std::endl;
        }
        else if(n==0)
        {
            // 如果read的返回值是0，表示写端直接关闭了，我们读到了文件的结尾
            std::cout << "client quit, father get return val: " << n << " father quit too!" << std::endl;
            break;
        }
        else if(n < 0)
        {
            std::cerr << "read error" << std::endl;
            break;
        }
    }
}

1. 读端fd直接关闭，写端fd一直进行写入，这个管道称之为坏的管道，操作系统会杀掉对应的进程，属于异常情况，操作系统会给目标发送信号（13号：SIGPIPE）。写端进程会被操作系统直接使用13号信号关掉，相当于进程出现了异常。

2.1.4管道的五种特征

1. 匿名管道：只能用来进行具有血缘关系的进程之间通信（常用于父子进程），因为子进程是对父进程的写时拷贝，不能用于毫不相关的两个进程。
2. 管道内部自带进程之间同步机制，同步：多执行流执行代码的时候具有明显的顺序性。在上述代码中，子进程写一个，父进程读一个。
3. 文件的声明周期是随进程的
4. 管道文件在通信的时候，是面向字节流的。写的次数和读取的次数不是一一匹配的
5. 管道的通信模式是一种特殊的半双工

2.2管道的使用场景

2.2.1命令行中的管道

管道 | 在这里用于串联命令，实现对进程信息的过滤、筛选和显示，使得可以实时监视和管理特定的进程活动。

2.2.2进程池

当前有一个父进程（master），提前创建好几个子进程（子进程A、子进程B、子进程C、子进程D），每一个子进程还对应一个管道，用于和父进程进行通信。当父进程需要某一个子进程的时候，只需要将信息传入对应管道的写端，然后对应的子进程从管道读端读取数据。像这种提前创建好多个子进程，我们称之为进程池，这样可以大大减少创建进程的成本，只需要把任务交付给对应的子进程。

如果管道里面没有数据，当前对应的worker进程就在阻塞等待，直到任务的到来。

管道里一旦有数据，对应的子进程就被系统唤醒来处理任务。

对于父进程的任务，要进行后端任务划分的负载均衡。

代码实现：

对信道的一个一个管理转化成对vector的增删查改，将父进程的文件描述符为_wfd，写给对应的子程序为_subprocessid

代码语言：javascript复制

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include "Task.hpp"

// master
class Channel
{
public:
    Channel(int wfd, pid_t id, const std::string &name)
        : _wfd(wfd), _subprocessid(id), _name(name)
    {
    }
    int GetWfd() { return _wfd; }
    pid_t GetProcessId() { return _subprocessid; }
    std::string GetName() { return _name; }
    void CloseChannel()
    {
        close(_wfd);
    }
    void Wait()
    {
        pid_t rid = waitpid(_subprocessid, nullptr, 0);
        if (rid > 0)
        {
            std::cout << "wait " << rid << " success" << std::endl;
        }
    }
    ~Channel()
    {
    }

private:
    int _wfd;
    pid_t _subprocessid;
    std::string _name;
};

void CreateChannelAndSub(int num, std::vector<Channel> *channels, task_t task)
{
    // BUG? --> fix bug
    for (int i = 0; i < num; i  )
    {
        // 1. 创建管道
        int pipefd[2] = {0};
        int n = pipe(pipefd);
        if (n < 0)
            exit(1);

        // 2. 创建子进程
        pid_t id = fork();
        if (id == 0)
        {
            if (!channels->empty())
            {
                // 第二次之后，开始创建的管道
                for(auto &channel : *channels) channel.CloseChannel();
            }
            // child - read
            close(pipefd[1]);
            dup2(pipefd[0], 0); // 将管道的读端，重定向到标准输入
            task();
            close(pipefd[0]);
            exit(0);
        }

        // 3.构建一个channel名称
        std::string channel_name = "Channel-"   std::to_string(i);
        // 父进程
        close(pipefd[0]);
        // a. 子进程的pid b. 父进程关心的管道的w端
        channels->push_back(Channel(pipefd[1], id, channel_name));
    }
}

// 0 1 2 3 4 channelnum
int NextChannel(int channelnum)
{
    static int next = 0;
    int channel = next;
    next  ;
    next %= channelnum;
    return channel;
}

void SendTaskCommand(Channel &channel, int taskcommand)
{
    write(channel.GetWfd(), &taskcommand, sizeof(taskcommand));
}
void ctrlProcessOnce(std::vector<Channel> &channels)
{
    sleep(1);
    // a. 选择一个任务
    int taskcommand = SelectTask();
    // b. 选择一个信道和进程
    int channel_index = NextChannel(channels.size());
    // c. 发送任务
    SendTaskCommand(channels[channel_index], taskcommand);
    std::cout << std::endl;
    std::cout << "taskcommand: " << taskcommand << " channel: "
              << channels[channel_index].GetName() << " sub process: " << channels[channel_index].GetProcessId() << std::endl;
}
void ctrlProcess(std::vector<Channel> &channels, int times = -1)
{
    if (times > 0)
    {
        while (times--)
        {
            ctrlProcessOnce(channels);
        }
    }
    else
    {
        while (true)
        {
            ctrlProcessOnce(channels);
        }
    }
}

void CleanUpChannel(std::vector<Channel> &channels)
{
    // int num = channels.size() -1;
    // while(num >= 0)
    // {
    //     channels[num].CloseChannel();
    //     channels[num--].Wait();
    // }

    for (auto &channel : channels)
    {
        channel.CloseChannel();
        channel.Wait();
    }
    // // 注意
    // for (auto &channel : channels)
    // {
    //     channel.Wait();
    // }
}

// ./processpool 5
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " processnum" << std::endl;
        return 1;
    }
    int num = std::stoi(argv[1]);
    LoadTask();

    std::vector<Channel> channels;
    // 1. 创建信道和子进程
    CreateChannelAndSub(num, &channels, work1);

    // 2. 通过channel控制子进程
    ctrlProcess(channels, 5);

    // 3. 回收管道和子进程. a. 关闭所有的写端 b. 回收子进程
    CleanUpChannel(channels);

    // sleep(100);
    return 0;
}

Task.hpp:

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#pragma once

#include <iostream>
#include <ctime>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#define TaskNum 3

typedef void (*task_t)(); // task_t 函数指针类型

void Print()
{
    std::cout << "I am print task" << std::endl;
}
void DownLoad()
{
    std::cout << "I am a download task" << std::endl;
}
void Flush()
{
    std::cout << "I am a flush task" << std::endl;
}

task_t tasks[TaskNum];

void LoadTask()
{
    srand(time(nullptr) ^ getpid() ^ 17777);
    tasks[0] = Print;
    tasks[1] = DownLoad;
    tasks[2] = Flush;
}

void ExcuteTask(int number)
{
    if (number < 0 || number > 2)
        return;
    tasks[number]();
}

int SelectTask()
{
    return rand() % TaskNum;
}

void work()
{
    while (true)
    {
        int command = 0;
        int n = read(0, &command, sizeof(command));
        if (n == sizeof(int))
        {
            std::cout << "pid is : " << getpid() << " handler task" << std::endl;
            ExcuteTask(command);
        }
        else if (n == 0)
        {
            std::cout << "sub process : " << getpid() << " quit" << std::endl;
            break;
        }
    }
}

void work1()
{
    while (true)
    {
        int command = 0;
        int n = read(0, &command, sizeof(command));
        if (n == sizeof(int))
        {
            std::cout << "pid is : " << getpid() << " handler task" << std::endl;
            ExcuteTask(command);
        }
        else if (n == 0)
        {
            std::cout << "sub process : " << getpid() << " quit" << std::endl;
            break;
        }
    }
}

void work2()
{
    while (true)
    {
        int command = 0;
        int n = read(0, &command, sizeof(command));
        if (n == sizeof(int))
        {
            std::cout << "pid is : " << getpid() << " handler task" << std::endl;
            ExcuteTask(command);
        }
        else if (n == 0)
        {
            std::cout << "sub process : " << getpid() << " quit" << std::endl;
            break;
        }
    }
}

2.命名管道

2.1.1原理

如何保证两个毫不相连的两个进程打开同一个文件？每一个文件都有文件路劲（唯一性路劲），两个进程使用同一个文件路劲。

磁盘中的文件是一个特殊文件，经过路劲标识，命名管道本质上就是系统中的一个内存级文件，它和匿名管道一样，不会向磁盘中刷新，但是它有文件名。路径 文件名，唯一标识了一个命名管道。

2.2.2接口

认识mkfifo：

创建一个管道：

代码语言：javascript复制

mkfifo 文件名

2.2.3代码实例

namedPipe.hpp：

代码语言：javascript复制

#pragma once

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cerrno>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

const std::string comm_path = "./myfifo";
#define DefaultFd -1
#define Creater 1
#define User 2
#define Read O_RDONLY
#define Write O_WRONLY
#define BaseSize 4096

class NamePiped
{
private:
    bool OpenNamedPipe(int mode)
    {
        _fd = open(_fifo_path.c_str(), mode);
        if (_fd < 0)
            return false;
        return true;
    }

public:
    NamePiped(const std::string &path, int who)
        : _fifo_path(path), _id(who), _fd(DefaultFd)
    {
        if (_id == Creater)
        {
            int res = mkfifo(_fifo_path.c_str(), 0666);
            if (res != 0)
            {
                perror("mkfifo");
            }
            std::cout << "creater create named pipe" << std::endl;
        }
    }
    bool OpenForRead()
    {
        return OpenNamedPipe(Read);
    }
    bool OpenForWrite()
    {
        return OpenNamedPipe(Write);
    }
    // const &: const std::string &XXX
    // *      : std::string *
    // &      : std::string & 
    int ReadNamedPipe(std::string *out)
    {
        char buffer[BaseSize];
        int n = read(_fd, buffer, sizeof(buffer));
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            *out = buffer;
        }
        return n;
    }
    int WriteNamedPipe(const std::string &in)
    {
        return write(_fd, in.c_str(), in.size());
    }
    ~NamePiped()
    {
        if (_id == Creater)
        {
            int res = unlink(_fifo_path.c_str());
            if (res != 0)
            {
                perror("unlink");
            }
            std::cout << "creater free named pipe" << std::endl;
        }
        if(_fd != DefaultFd) close(_fd);
    }

private:
    const std::string _fifo_path;
    int _id;
    int _fd;
};

---

client.cc：

代码语言：javascript复制

#include "namedPipe.hpp"

// write
int main()
{
    NamePiped fifo(comm_path, User);
    if (fifo.OpenForWrite())
    {
        std::cout << "client open namd pipe done" << std::endl;
        while (true)
        {
            std::cout << "Please Enter> ";
            std::string message;
            std::getline(std::cin, message);
            fifo.WriteNamedPipe(message);
        }
    }

    return 0;
}

---

server.cc：

代码语言：javascript复制

#include "namedPipe.hpp"

// server read: 管理命名管道的整个生命周期
int main()
{
    NamePiped fifo(comm_path, Creater);
    // 对于读端而言,如果我们打开文件，但是写还没来，我会阻塞在open调用中，直到对方打开
    // 进程同步
    if (fifo.OpenForRead())
    {
        std::cout << "server open named pipe done" << std::endl;

        sleep(3);
        while (true)
        {
            std::string message;
            int n = fifo.ReadNamedPipe(&message);
            if (n > 0)
            {
                std::cout << "Client Say> " << message << std::endl;
            }
            else if(n == 0)
            {
                std::cout << "Client quit, Server Too!" << std::endl;
                break;
            }
            else
            {
                std::cout << "fifo.ReadNamedPipe Error" << std::endl;
                break;
            }
        }
    }

    return 0;
}

---

运行结果：

操作系统 进程 数据 通信 std

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