Linux知识点 – 进程间通信（一）

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一、了解进程间通信

1.进程间通信的必要性

单进程，无法使用并发能力，更加无法实现多进程协同，如传输数据、同步执行流、消息通知等；

2.进程间通信的技术背景

（1）进程是具有独立性的；虚拟地址空间 + 页表保证进程运行的独立性（进程内核数据结构 + 进程的代码和数据）；
（2）通信成本会比较高；

3.进程间通信的本质理解

（1）进程间通信的前提，首先是要让不同的进程看到同一块内存空间（特定的结构组织的）；
（2）所谓的看到同一块空间，这块空间应该隶属于哪一个进程呢？应该不能隶属于任何进程，而应该强调共享；

4.进程间通信的标准

• Linux原生能提供的：管道
  匿名管道；
  命名管道；
• SystemV IPC：多进程，用于单机通信
  共享内存；
  消息队列；
  信号量；
• POSIX IPC：多线程，用于网络通信

二、匿名管道

1.匿名管道通信的原理

管道通信是进程之间通过管道进行通信，管道就是两个进程能够共享的一块内存空间；

• 管道的本质就是一个文件：
  （1）父进程分别以读写的方式打开一个文件；
  
  完成后，父进程中分别由两个文件描述符对应的文件指针指向同一个文件，一个用来读，一个用来写，这个文件就是管道；
  （2）fork创建子进程；
  
  在父进程fork出子进程后，子进程会拷贝父进程PCB的信息，因此在子进程的文件序列中，也会有同样的文件描述符对应的文件指针指向父进程创建的管道；
  （3）双方进程各关闭自己不需要的文件描述符；
  
  在确定好父子进程的读写后，比如父进程写，子进程读，那就关闭父进程读和子进程写对应的fd，到此，一个管道就形成了；

• 注：
  （1）创建子进程时，只拷贝和进程相关的数据，PCB，文件相关的不会拷贝，拷贝完成后，父子进程指向的文件是一样的；
  （2）进程间通信都是基于内存的，效率高;
  （3）我们在命令行使用的 | 就是管道；
  
  三个sleep都是进程， 是兄弟进程，一个进程处理完数据，通过管道交给下一个进程；

2.匿名管道的使用

pipe函数：创建管道，相当于完成了父进程以读写方式打开一个文件；

• 参数：
  pipefd[2]：输出型参数，期望通过这个参数，得到被打开文件的fd（读和写各一个fd），pipefd[0]是读端，pipefd[1]是写端；
  返回值：
  成功返回0，失败返回-1；

• makefile：

pipe-use:pipe-use.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:rm -f pipe-use

• pipe-use.cpp：

#include<iostream>
#include<string>
#include<cstdio>         //在c++中更好兼容c语言的头文件
#include<cstring>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>using namespace std;int main()
{//1.创建管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n != -1);(void)n;        //debug模式下assert是有效的，而release模式下assert就无效了//(void)n就是将n使用以下，避免release模式下报错//条件编译，打印出pipefd中的内容
//如果想要执行这段代码，在g++编译选项中加上-DEGUB即可
#ifdef DEBUGcout << "pipefd[0]" << pipefd[0] << endl;cout << "pipefd[1]" << pipefd[1] << endl;
#endif//2.创建子进程pid_t id = fork();assert(id != -1);if(id == 0){//子进程 - 读//3.构建单向通信的管道，父进程写入，子进程读取//3.1 关闭子进程不需要的fdclose(pipefd[1]);char buffer[1024];while(true){ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);//从管道中读取数据if(s > 0){buffer[s] = 0;cout << "child get a message[" << getpid() << "]father# " << buffer << endl;}}close(pipefd[0]);//关闭子进程读取fd。可以不关闭，因为子进程退出时会关闭其所有fdexit(0);}//父进程//3.构建单向通信的管道，父进程写入，子进程读取//3.1关闭父进程不需要的fdclose(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//sprintf是向字符串中格式化显示内容snprintf(send_buffer, sizeof(send_buffer), "%s[%d] : %d",message.c_str(), getpid(), count++);//3.3写入write(pipefd[1], send_buffer, sizeof(send_buffer));//3.4sleepsleep(1);}    pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);assert(ret < 0);(void)ret;close(pipefd[1]);return 0;
}

• 注意：
  （1）条件编译
  
  如果想要执行这段代码，在g++编译选项中加上-DEGUB即可：
  
  （2）snprintf
  
  安全的向字符串中格式化显示内容；
  
  （3）cstdio & cstring
  
  这两个头文件是为了更好兼容c语言；
  （4）定义全局buffer能否用来进程间通信？
  不能，因为有写时拷贝的存在，父子进程间一定要保持数据的独立性；

3.管道的特点

• （1）管道是用来用来具有血缘关系的进程间进行进程间通信的；
• （2）管道具有让进程间协同的作用，提供了访问控制；
  父进程每1s写入一次数据，子进程也是没1s读取一次，但是我们只在父进程发送时设置了1s写入，子进程并没有设置，这是管道的访问控制；
  如果让父进程一直写入，子进程一段时间读取一次：
  

运行结果：

我们可以看到，在父进程将管道写满后，就阻塞在这里了，等待子进程的读取；

当子进程读取了一定的数据后，父进程才能继续写入；
总结：
a. 写快，读慢，写满管道后就不能再写了；
b. 写慢，读快，管道没有数据的时候，读必须等待；
c. 写关，读就会返回0，标识读到了文件的结尾；
d. 读关，写继续写，OS会终止进程；

• （3）管道提供的是面向流式的通信服务 – 面向字节流 – 协议
  管道读文件时，不是一次读一条，而是一次读一批；
• （4）管道是基于文件的，文件的生命周期是随进程的额，管道的生命周期就是随进程的
  让父进程在5s后停止写入，观察子进程：
  
  
  运行结果：
  
  写入的一方，fd没有关闭，如果有数据，就读，没有数据就等；
  写入的一方，fd关闭，读取的乙方，read就会返回0，表示读到了文件的结尾；
• （5）管道是单向通信的，就是半双工通信的一种特殊情况
  半双工：不能同时读写，只能一方读，一方写；

4.进程池项目

父进程创建四个子进程，使用四个管道进行进程间通信，为子进程派发任务，单机版的负载均衡；

• makefile：

process-pool:process-pool.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:rm -f process-pool

• process-pool.cpp

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<cassert>
#include<vector>
#include<cstdlib>
#include<ctime>
#include"Task.hpp"#define PROCESS_NUM 5  //子进程数量using namespace std;int waitCommand(int waitFd, bool &quit) //如果对方不发，我们就阻塞
{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;
}void sendAndWakeup(pid_t who, int fd, uint32_t command)
{write(fd, &command, sizeof(command));cout << "main process: call process " << who << " execute " << desc[command] << " through " << fd << endl;
}int main()
{//加载方法load();//保存管道信息vector<pair<pid_t, int>> slots; //pid : pipefd//先创建多个进程for(int i = 0; i < PROCESS_NUM; i++){//创建管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n != -1);(void)n;pid_t id = fork();assert(id != -1);if(id == 0){//child//子进程读取close(pipefd[1]);while(true){//等命令bool quit = false;//进程退出判断int command = waitCommand(pipefd[0], quit);//如果对方不发，我们就阻塞if(quit)//如果父进程停止写入，子进程也停止{break;}//执行对应的命令if(command >= 0 && command < handlerSize()){callbacks[command];}else{cout << "非法command" << command << endl;}}exit(1);}// father// 父进程写入close(pipefd[0]);slots.push_back(make_pair(id, pipefd[1])); // 保存管道信息}// 父进程派发任务（均衡的派发给每一个子进程）srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid() ^ 23323123123L); // 让数据源更随机while (true){int slect;int command;//任务编号cout << "##########################################" << endl;cout << "##   1.show functions  2.send command   ##" << endl;cout << "##########################################" << endl;cout << "Please Slect> ";cin >> slect;if (slect == 1){showHandler();}else if (slect == 2){cout << "Enter Your Command> ";// 选择任务cin >> command;// 选择进程int choice = rand() % slots.size();// 把任务发送给指定的进程sendAndWakeup(slots[choice].first, slots[choice].second, command);}else{}//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

#include<iostream>
#include<string>
#include<vector>
#include<unistd.h>
#include<functional>typedef std::function<void()> func; //定义函数类型，实现函数回调std::vector<func> callbacks;//存储回调函数
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 executeUrl()
{std::cout << "process[" << getpid() << "]执行解析Url" << 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;
}//加载方法和对应的描述
void load()
{desc.insert(callbacks.size(), "readMySQL: 读取数据库");callbacks.push_back(readMySQL);desc.insert(callbacks.size(), "executeUrl: 进行url解析");callbacks.push_back(executeUrl);desc.insert(callbacks.size(), "cal: 进行加密计算");callbacks.push_back(cal);desc.insert(callbacks.size(), "save: 进行文件保存");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();
}

运行结果：

三、命名管道

1.命名管道的原理

匿名管道是基于创建子进程的进程信息拷贝来通信的，只能用于有血缘关系的进程间通信；
而命名管道可以实现毫不相关的进程之间的通信；

不同的进程打开同一个文件，操作系统会检测文件路径，不会再将文件内容加载到内存中，而是将进程指向同一个文件结构体；
这就是命名管道，这是一种内存级文件，但是在磁盘中构建了一个文件名，在进程访问的时候访问同一路径下的文件名；
命名管道只是在磁盘中建立了一个符号，只是为了通信双方看到同一份资源，其数据都是内存级的，不会向磁盘中写入数据；

• 实验：
  
  mkfifo在指定路径下创建一个命名管道文件；
  
  创建好了一个管道文件，p就是管道文件；
  然后让两个进程通过命名管道进行通信：
  
  一个进程将打印的字符重定向到管道文件中，这时，这个进程就阻塞了，这是在等待其他进程从管道读取数据；
  
  另一个进程从管道文件中读取数据并打印，写入的进程就可以推出阻塞了；
  
  不断地写入和读取；

2.命名管道的使用

mkfifo：使用系统接口创建命名管道：

参数：
pathname：指定路径；
mode：指定管道文件的权限；
返回值：成功返回0；失败返回-1；

• makefile

.PHONY:all
all:mutiServer clientmutiServer:mutiServer.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11 
client:client.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11 .PHONY:clean
claen:rm -f mutiServer client

• comm.hpp

#ifndef _COMM_H_
#define _COMM_H_#include<iostream>
#include<string>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/wait.h>
#include "Log.hpp"using namespace std;#define MODE 0666 //管道文件的权限
#define SIZE 128string ipcPath = "./fifo.ipc";//管道文件的路径#endif

• Log.hpp

#ifndef _LOG_H_
#define _LOG_H_#include<iostream>
#include<ctime>#define DeBug   0
#define Notice  1
#define Waring  2
#define Error   3const std::string msg[] = {"DeBug","Notice","Waring","Error"
};std::ostream &Log(std::string message, int level)
{std::cout << " | " << (unsigned)time(nullptr) << " | " << msg[level] << " | " << message;return std::cout;
}
#endif

这是打印日志的头文件；

• mutiServer.cpp

#include "comm.hpp"int main()
{// 1.创建管道文件if (mkfifo(ipcPath.c_str(), MODE) < 0){perror("mkfifo");exit(1);}Log("创建管道文件成功", DeBug) << "step 1" << endl;// 2.正常的文件操作int fd = open(ipcPath.c_str(), O_RDONLY); // 服务端读取信息if (fd < 0){perror("open");exit(2);}Log("打开管道文件成功", DeBug) << "step 2" << endl;// 3.编写正常的通信代码char buffer[SIZE];while (true){memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer));if (s > 0){cout << '[' << getpid() << "] client say: " << buffer << endl;}else if (s == 0){cerr << '[' << getpid() << "] read end of file, client quit, server quit" << endl;break;}else{perror("read");break;}}// 4.关闭文件close(fd); // 关闭管道文件Log("关闭管道文件成功", DeBug) << "step 3" << endl;unlink(ipcPath.c_str()); // 删除管道文件Log("删除管道文件成功", DeBug) << "step 4" << endl;return 0;
}

这条代码执行后会创建命名管道文件；

ulink是删除文件的系统调用接口；

在关闭管道文件后直接删除；

• client.cpp

#include "comm.hpp"int main()
{//客户端不需要创建管道了//1.打开管道文件int fd = open(ipcPath.c_str(), O_WRONLY);if(fd < 0){perror("open");exit(1);}//2.通信操作string buffer;while(true){cout << "Please Enter Command >";getline(cin, buffer);write(fd, buffer.c_str(), buffer.size());}//3.关闭管道文件close(fd);return 0;
}

客户端就不要创建管道文件，直接获取，然后打开，向管道中写信息；

• 运行结果：
  
  在服务端运行时，创建好管道文件，然后服务端进程阻塞，等待客户端写入命令；
  
  当客户端进程创建后，双方都打开管道文件；
  
  客户端发送指令，服务端接受指令；
  
  当客户端退出进程后，服务端读到了0，也退出进程，关闭并删除管道文件；

如果在服务端创建多个子进程来处理客户端请求：

• mutiServer.cpp

#include "comm.hpp"void getMessage(int fd)
{char buffer[SIZE];while (true){memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer));if (s > 0){cout << '[' << getpid() << "] client say: " << buffer << endl;}else if (s == 0){cerr << '[' << getpid() << "] read end of file, client quit, server quit" << endl;break;}else{perror("read");break;}}}int main()
{// 1.创建管道文件if (mkfifo(ipcPath.c_str(), MODE) < 0){perror("mkfifo");exit(1);}Log("创建管道文件成功", DeBug) << "step 1" << endl;// 2.正常的文件操作int fd = open(ipcPath.c_str(), O_RDONLY); // 服务端读取信息if (fd < 0){perror("open");exit(2);}Log("打开管道文件成功", DeBug) << "step 2" << endl;// 3.编写正常的通信代码int pnums = 4;for(int i = 0; i < pnums; i++){pid_t id = fork();if(id == 0){getMessage(fd);exit(1);}}for(int i = 0; i < pnums; i++){pid_t ret = waitpid(-1, nullptr, 0);}// 4.关闭文件close(fd); // 关闭管道文件Log("关闭管道文件成功", DeBug) << "step 3" << endl;unlink(ipcPath.c_str()); // 删除管道文件Log("删除管道文件成功", DeBug) << "step 4" << endl;return 0;
}

• 运行结果：
  
  可以看到，每次执行客户端任务的子进程都是随机的，多进程竞争式获取数据；

注：.hpp文件与.h文件的区别
hpp，其实质就是将.cpp的实现代码混入.h头文件当中，定义与实现都包含在同一文件，则该类的调用者只需要include该hpp文件即可，无需再将cpp加入到project中进行编译。而实现代码将直接编译到调用者的obj文件中，不再生成单独的obj，采用hpp将大幅度减少调用 project中的cpp文件数与编译次数，也不用再发布烦人的lib与dll，因此非常适合用来编写公用的开源库。