6.【Linux】进程间通信(管道命名管道||简易进程池||简易客户端服务端通信）-编程知识

介绍

进程间通信的方式

1.Linux原生支持的管道----匿名和命名管道
2.System V-----共享内存、消息队列、信号量
3.Posix------多线程、网路通信

进程间通信目的

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

管道

原理

管道是单向通信的，常用于有亲缘关系的父子间通信，父进程调用pipe打开管道文件，操作系统创建struct file结构体（存有inode等文件信息），父进程fd指向该文件，父进程fork出子进程，子进程也拷贝父进程的代码和fd，同时fd指向管道，分别关闭读端和写端，从而实现单向通信。
在这里插入图片描述

创建管道

在这里插入图片描述
调用成功返回0，失败返回-1。pipefd是输出型参数，pipefd【0】为3，pipefd【1】为4.

构建单向通信的读端（子进程关闭写端）

//2.create child processpid_t id=fork();assert(id!=-1);if(id==0){//child process//3构建单向通行的信道pipe[0]:read,pipe[1]:write//3.1关闭子进程不需要的fdclose(pipefd[1]);char buffer[1025];while(true){ssize_t s=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);if(s>0){buffer[s]=0;cout<<"child get a message["<<getpid()<<"]father"<<buffer<<endl;}}exit(0);}

写端（父进程关闭读端）

	close(pipefd[0]);string message="我是父进程，我正在给你发消息";int count=0;char send_buffer[1024];while(true){//3.2构建一个变化的字符串snprintf(send_buffer,sizeof(send_buffer),"%s:%d",message.c_str(),count++);//3.3写入write(pipefd[1],send_buffer,strlen(send_buffer));//3.4故意睡一会sleep(1);}pid_t ret=waitpid(id,nullptr,0);assert(ret<0);(void)ret;close(pipefd[1]);

管道特点

1.常用于亲缘关系的父子间通信
2.提供访问控制（例如管道无数据时读端就必须等数据写入）
3.管道本质是内核中的一块缓冲区，多个进程通过访问同一块缓冲区实现通信。
4. 管道提供的是面向流式的通信服务（面向字节流），需要定制协议来进行数据区分。
5.管道是基于文件的，文件的生命周期是随进程的，那么管道的生命周期也是随进程的。
6.管道是单向通信的，就是半双工通信的一种特殊情况，数据只能向一个方向流动。需要双方通信时，需要建立起两个管道。半双工通信就是要么在收数据，要么在发数据，不能同时在收数据和发数据（比如两个人在交流时，一个人在说，另一个人在听）；而全双工通信是同时进行收数据和发数据（比如两个人吵架的时候，相互问候对方，一个人既在问候对方又在听对方的问候）。

实现一个简易进程池

process.cc

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<assert.h>
#include<vector>
#include<cstdlib>
#include<time.h>
#include"Task.hpp"#define PROCESS_NUM 5using namespace std;int waitCommand(int waitFd,bool &quit)
{uint32_t command=0;ssize_t s=read(waitFd,&command,sizeof(command));if(s==0){quit=true;return -1;}assert(s==sizeof(uint32_t));return command;
}//给哪一个进程通过什么文件描述符发送什么命令
void  sendAndWakeUp(pid_t who,int fd,uint32_t command)
{write(fd,&command,sizeof(command));cout<<"call process"<<who<<"execute"<<desc[command]<<"through"<<fd<<endl;
}int main()
{Load();vector<pair<pid_t,int>> slots;//先创建多个进程for(int i=0;i<PROCESS_NUM;i++){int pipefd[2]={0};int n=pipe(pipefd);assert(n==0);(void)n;pid_t id=fork();assert(id!=-1);if(id==0){//child读取，关闭写端close(pipefd[1]);while(true){bool quit=false;//pipefd[0]int command=waitCommand(pipefd[0],quit);//如果不发，则阻塞if(quit)    break;if(command>=0&&command<handlerSize()){callbacks[command]();}else{cout<<"非法command"<<endl;}}exit(1);}close(pipefd[0]);slots.push_back(pair<pid_t,int>(id,pipefd[1]));}//开始任务srand((unsigned long)time(nullptr));while(true){int select,command;cout<<"##############"<<endl;cout<<"1.show functions"<<endl;cout<<"2.send command"<<endl;cout<<"Please select";cin>>select;if(1==select){showHandler();}else if(select==2){cout<<"Enter Your Command:";cin>>command;//选择进程int choice_procID=rand()%slots.size();//布置任务给指定进程sendAndWakeUp(slots[choice_procID].first,slots[choice_procID].second,command);}}//关闭fd，所有的子进程都会退出for(const auto& slot:slots){close(slot.second);}//回收所有的子进程信息for(const auto& slot: slots){waitpid(slot.first,nullptr,0);}return 0;
}

task.hpp

#pragma once#include<iostream>
#include<string>
#include<unistd.h>
#include<functional>
#include<vector>
#include<unordered_map>typedef std::function<void()> func;std::vector<func> callbacks;
std::unordered_map<int,std::string> desc;void readMySQL()
{std::cout<<"process["<<getpid()<<"]执行访问数据库的任务"<<std::endl;
}void  execuleURL()
{std::cout<<"process["<<getpid()<<"]执行url解析"<<std::endl;
}void  cal()
{std::cout<<"process["<<getpid()<<"]执行加密任务"<<std::endl;
}void save()
{std::cout<<"process"<<getpid()<<"执行数据持久化任务"<<std::endl;
}void Load()
{desc.insert({callbacks.size(),"readMySQL"});callbacks.push_back(readMySQL);desc.insert({callbacks.size(),"execul"});callbacks.push_back(execuleURL);desc.insert({callbacks.size(),"cal"});callbacks.push_back(cal);desc.insert({callbacks.size(),"save"});callbacks.push_back(save);}void showHandler()
{for(const auto& iter:desc){std::cout<<iter.first<<"\t"<<iter.second<<std::endl;}
}int handlerSize()
{return callbacks.size();
}

命名管道

引入

管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。
如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。命名管道是一种特殊类型的文件。

区别（打开方式，是否存在于文件系统，血缘）

匿名管道不属于文件系统，是一种特殊的文件，只存在于内存中，只能进行血缘关系间的通信。命名管道可用于无关联的进程间通信，mkfifo函数调用后需用open打开，因为它以FIFO文件的形式存在于文件系统中。

实现一个简易的客户端和服务端

//comm.hpp
#ifndef _COMM_H
#define _COMM_H#include<iostream>
#include<string>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include"log.hpp"using namespace std;string ipcPath="./fifo.ipc";
const int MODE=0666;
const int SIZE=128;#endif//server.cc
#include"comm.hpp"int main()
{//1.创建命名管道if(mkfifo(ipcPath.c_str(),MODE)<0){perror("mkfifo");exit(1);}Log("创建管道文件成功",Debug)<<"step1"<<endl;//2.打开命名管道int fd=open(ipcPath.c_str(),O_RDONLY);if(fd<0){perror("open");exit(2);}Log("打开成功",Debug)<<"step2"<<endl;//3.读取数据char buf[SIZE];while(true){memset(buf,'\0',sizeof(buf));ssize_t s=read(fd,buf,sizeof(buf)-1);//'\0'不读if(s>0){cout<<"client say:"<<buf<<endl;}else if(s==0){//EOFcerr<<"client quit!"<<endl;break;}else{//errorperror("read");break;}}//4.关闭文件close(fd);unlink(ipcPath.c_str());Log("关闭成功",Debug)<<"step 3"<<endl;return 0;
}//client.cc
#include"comm.hpp"
int main()
{//获取管道文件int fd=open(ipcPath.c_str(),O_WRONLY);if(fd<0){perror("open");exit(1);}//ipc通信过程string buffer;while(true){cout<<"please input:"<<endl;getline(cin,buffer);write(fd,buffer.c_str(),buffer.size());}close(fd);return 0;
}