【探索Linux】—— 强大的命令行工具 P.14（进程间通信 | 匿名管道 | |进程池 | pipe() 函数 | mkfifo() 函数）
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引言
当今计算机系统中，进程间通信扮演着至关重要的角色。随着计算机系统的发展和复杂性的增加，多个进程之间的协作变得更加必要和常见。进程间通信使得不同进程能够共享资源、协调工作、传输数据，并实现更加复杂和强大的功能。本文将深入探讨进程间的通信，以及管道的作用。它为多个进程提供了一种有效的交互方式，使得系统能够更好地协同工作、共享资源，并实现更高级别的功能。通过恰当地选择和使用进程间通信的方式，我们可以构建出高效、可靠且高度协同的系统。下面话不多说坐稳扶好咱们要开车了😍
一、进程间通信概念
进程间通信（IPC）是操作系统中的一个重要概念，它允许不同的进程在执行过程中交换数据、共享资源、协调行为等。在多道程序设计环境下，多个进程可能需要相互通信以完成复杂的任务，而进程间通信提供了各种机制来实现这种交互。
二、进程间通信目的
🍔进程间通信的主要目的包括：
- 数据交换：允许进程之间传递数据，比如传输文件、文本、图像等信息。
- 资源共享：多个进程可以访问和共享同一块内存区域，以便协同完成某项任务。
- 进程控制：允许一个进程控制另一个进程的行为，比如启动、暂停、终止等。
- 同步与互斥：确保多个进程能够按照特定的顺序执行，避免竞态条件和数据冲突。
- 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）。
三、进程间通信分类
🍁以下是几种常见的进程间通信方式：
-
管道（Pipe）：管道是一种半双工的通信方式，用于具有亲缘关系的进程间通信。它可以是匿名管道（使用
pipe系统调用）或命名管道（使用mkfifo命令），并且数据只能在一个方向上流动。 -
信号（Signal）：信号是一种异步的通信机制，用于通知进程发生了某种事件。进程可以向另一个进程发送信号，比如终止信号（
SIGTERM）、中断信号（SIGINT）等。 -
消息队列（Message Queue）：消息队列是一种消息传递机制，可以在不同进程之间按队列方式传递数据。它允许一个进程向另一个进程发送消息，而不需要直接的数据连接。
-
共享内存（Shared Memory）：共享内存允许多个进程访问同一块物理内存，因此它是最快的 IPC 方式之一。但需要开发者自行解决竞争条件和同步的问题。
-
信号量（Semaphores）：信号量是一种计数器，用于控制对共享资源的访问。它通常与共享内存一起使用，以避免多个进程同时访问共享内存时产生的竞争条件。
-
套接字（Socket）：套接字是一种进程间通信的常见方式，可以用于不同主机之间的通信，也可以用于同一主机上不同进程之间的通信。
四、管道
1. 什么是管道
管道（Pipe）是一种在UNIX和类UNIX系统中用于进程间通信的机制。管道允许一个进程将其输出直接发送到另一个进程的输入，从而实现两个进程之间的数据传输。
🍪管道的特点包括：
- 管道是一种半双工的通信方式，数据只能在一个方向上流动。
- 管道通常用于实现父子进程之间的通信，例如一个进程的输出连接到另一个进程的输入，实现数据传递和处理。
- 管道的数据是以先进先出（FIFO）的方式传输的，保持了数据的顺序性。
2. 匿名管道
（1）创建和关闭
⭕pipe() 函数
在Linux系统中，pipe()函数用于创建匿名管道，它是一个系统调用函数，位于<unistd.h>头文件中。该函数创建一个管道，返回两个文件描述符，一个用于读取数据，另一个用于写入数据。
语法
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
参数
-
pipefd: 一个整型数组，用于存储管道的文件描述符。pipefd[0]用于从管道中读取数据，pipefd[1]用于向管道中写入数据。
返回值
- 若成功，返回值为0；若失败，返回值为-1，并设置errno来指示错误类型。
⭕创建匿名管道
- 使用
pipe()系统调用来创建匿名管道。pipe()系统调用会创建一个管道，返回两个文件描述符，一个用于读取数据，另一个用于写入数据。 - 在Linux系统中，可以通过命令行工具或者编程语言来使用
pipe()系统调用创建匿名管道。 - 以下是使用C语言创建匿名管道的示例代码：
#include <unistd.h>
int main() {
int pipefd[2];
if (pipe(pipefd) == -1) {
// 处理创建失败的情况
}
// 现在pipefd[0]是用于读取的文件描述符，pipefd[1]是用于写入的文件描述符
}
⭕关闭匿名管道
- 匿名管道的关闭通常由操作系统自动处理，当所有指向管道的文件描述符都关闭时，操作系统会自动关闭管道。
- 在编程中，可以通过
close()系统调用显式地关闭管道的读取端或写入端。 - 以下是使用C语言关闭匿名管道的示例代码：
#include <unistd.h>
int main() {
int pipefd[2];
if (pipe(pipefd) == -1) {
// 处理创建失败的情况
}
// 在适当的时机关闭管道
close(pipefd[0]); // 关闭读取端
close(pipefd[1]); // 关闭写入端
}
（2）通信方式
⭕父子进程之间的通信：父子进程可以通过匿名管道进行通信。通常的做法是在调用fork()之后，子进程继承了父进程的文件描述符，包括管道。子进程可以关闭不需要的文件描述符，然后使用write()函数向管道中写入数据，父进程则使用read()函数从管道中读取数据。
⭕兄弟进程之间的通信：兄弟进程之间也可以通过匿名管道进行通信。通常的做法是在调用pipe()和fork()之后，子进程再次调用fork()创建兄弟进程。然后兄弟进程可以通过管道进行通信，一个进程负责写入，另一个进程负责读取。
（3）用法示例
- 在Shell脚本中，可以使用管道将一个命令的输出传递给另一个命令进行处理，比如
command1 | command2。 - 在C语言或其他编程语言中，可以通过创建管道来实现父子进程之间的通信，或者在多个兄弟进程之间进行数据交换（后面进程池会细讲示例）。
（4）匿名管道的特点
-
阻塞式读写：
- 当管道读取端为空时，尝试从管道中读取数据的进程将会被阻塞，直到有数据可供读取为止。读取端的进程会等待直到管道中有数据可用，或者直到收到信号中断。
- 当管道写入端已满时，尝试向管道中写入数据的进程将会被阻塞，直到有足够的空间可以写入为止。这个时候，写入端的进程会等待直到管道中有足够的空间，或者直到收到信号中断。
-
数据顺序性：
- 匿名管道保证数据的顺序性，数据是以先进先出（FIFO）的方式传输的，从而保持了数据的顺序性。
-
局限性：
- 匿名管道通常适用于具有亲缘关系的进程间通信，无法用于无亲缘关系的进程间通信。
- 匿名管道只能在本地进程间通信，无法用于远程通信。
-
单向通信：匿名管道是一种单向通信机制，数据只能在一个方向上传输。其中一个进程负责写入数据，而另一个进程负责读取数据。这使得匿名管道适用于一些特定的通信场景，如父子进程或者兄弟进程之间的通信。
-
半双工通信：匿名管道是半双工的，意味着它可以在两个进程之间进行双向通信，但是不能同时进行读和写操作。虽然它可以实现双向通信，但是在任意给定的时间点，数据只能在一个方向上传输。
-
自动关闭：当所有指向管道的文件描述符全部关闭时，操作系统会自动关闭管道。这样做可以确保在程序结束时释放资源，并且不会造成资源泄漏。
3. 运用匿名管道建立进程池
#include <iostream>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <ctime>
#include <cstdlib>
#include <cassert>
#define PROCESS_NUM 5 // 定义常量 PROCESS_NUM 为 5
using namespace std;
// 从文件描述符 waitFd 中读取命令
int waitCommand(int waitFd, bool &quit) {
uint32_t command = 0;
ssize_t s = read(waitFd, &command, sizeof(command)); // 从文件描述符中读取命令
if (s == 0) { // 如果成功读取到命令
quit = true; // 标记为需要退出
return -1;
}
assert(s == sizeof(uint32_t)); // 断言读取的字节数与命令长度相等
return command; // 返回读取到的命令
}
// 向指定的进程发送命令，并在标准输出中打印相关信息
void sendAndWakeup(pid_t who, int fd, uint32_t command) {
write(fd, &command, sizeof(command)); // 向文件描述符中写入命令
cout << "main process: call process " << who << " execute " << desc[command] << " through " << fd << endl; // 打印相关信息
}
int main()
{
load(); // 加载一些内容
vector<pair<pid_t, int>> slots; // 用于保存子进程的PID和管道写端文件描述符
// 先创建多个进程
for (int i = 0; i < PROCESS_NUM; i++)
{
int pipefd[2] = {0};
assert(pipe(pipefd) == 0); // 创建管道并检查是否成功
pid_t id = fork();
assert(id != -1); // 检查fork()是否成功
if (id == 0) // 子进程逻辑
{
close(pipefd[1]); // 关闭写端
while (true)
{
bool quit = false;
int command = waitCommand(pipefd[0], quit); // 等待命令
if (quit)
break; // 如果收到退出命令，则退出循环
if (command >= 0 && command < handlerSize())
{
dummyHandler(); // 执行对应的命令处理函数
}
else
{
cout << "非法command: " << command << endl;
}
}
exit(1);
}
else // 父进程逻辑
{
close(pipefd[0]); // 关闭子进程的读端
slots.push_back(pair<pid_t, int>(id, pipefd[1])); // 保存子进程的PID和写端管道文件描述符
}
}
// 父进程派发任务
srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid() ^ 23323123123L); // 设置随机数种子
while (true)
{
int command = rand() % handlerSize(); // 随机选择一个任务
int choice = rand() % slots.size(); // 随机选择一个子进程
sendAndWakeup(slots[choice].first, slots[choice].second, command); // 向选定的子进程发送任务
sleep(1); // 休眠一秒
}
// 关闭fd, 所有的子进程都会退出
for (const auto &slot : slots)
{
close(slot.second); // 关闭所有子进程的写端
}
// 回收所有的子进程信息
for (const auto &slot : slots)
{
waitpid(slot.first, nullptr, 0); // 回收子进程
}
}
这段代码是一个简单的进程调度和通信示例，它创建了多个子进程，并使用管道进行进程间通信，父进程通过随机选择一个子进程来派发任务。
-
创建多个子进程：
- 使用
fork()函数创建子进程，并使用pipe()函数创建管道用于进程间通信。 - 父进程将每个子进程的 PID 和写端管道文件描述符保存在
slots向量中。
- 使用
-
子进程逻辑：
- 子进程关闭写端，然后进入一个无限循环，不断等待命令并执行。
- 当收到命令时，执行对应的命令处理函数，如果收到退出命令则退出循环并终止子进程。
-
父进程逻辑：
- 通过
srand()来初始化随机数种子，使得每次运行产生的随机数不同。 - 进入一个无限循环，随机选择一个任务和一个子进程，然后将任务发送给选定的子进程。
- 每次发送完任务后，休眠一秒钟。
- 通过
-
最后，父进程关闭所有子进程的写端，然后回收所有子进程的信息。
4. 命名管道
（1）创建和关闭
⭕mkfifo() 函数
mkfifo() 函数用于创建一个FIFO（First In First Out）或者称为命名管道，它允许进程之间进行通信。下面是关于 mkfifo() 函数的详细介绍：
函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
参数
-
pathname：要创建的命名管道的路径名。 -
mode：创建命名管道时设置的权限模式，通常以 8 进制表示，比如0666。
返回值
- 若成功，返回值为 0；若失败，返回值为 -1，并设置errno来指示错误类型。
功能
mkfifo() 函数的作用是在文件系统中创建一个特殊类型的文件，该文件在外观上类似于普通文件，但实际上是一个FIFO，用于进程之间的通信。这种通信方式是单向的，即数据写入FIFO的一端，可以从另一端读取出来，按照先进先出的顺序。
⭕创建命名管道
-
包含头文件：首先需要包含相关的头文件，以便使用相关函数和数据结构。
#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> -
调用
mkfifo()函数：使用mkfifo()函数创建命名管道。该函数原型如下：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);-
pathname：要创建的命名管道的路径名。 -
mode：创建命名管道时设置的权限模式，通常以 8 进制表示，比如0666。
示例代码：
std::string fifoPath = "/tmp/my_named_pipe"; // 命名管道的路径名 mkfifo(fifoPath.c_str(), 0666); // 创建权限为0666的命名管道 -
-
处理返回值：检查
mkfifo()的返回值，若返回 0 表示成功创建，若返回 -1 表示创建失败，并通过errno来获取具体的错误信息。
🚨注意事项
- 路径名：确保要创建的命名管道路径名合法且没有重复。
- 权限模式：根据实际需求设置合适的权限模式，确保可被需要访问该管道的进程所访问。
-
错误处理：对
mkfifo()函数的返回值进行适当的错误处理，根据具体的错误原因进行相应的处理和日志记录。
-
示例
下面是一个简单的创建命名管道并处理错误的示例：
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <cerrno>
int main() {
std::string fifoPath = "/tmp/my_named_pipe"; // 命名管道的路径名
if (mkfifo(fifoPath.c_str(), 0666) == -1) {
if (errno == EEXIST) {
std::cerr << "Named pipe already exists" << std::endl;
} else {
perror("Error creating named pipe");
}
} else {
std::cout << "Named pipe created successfully" << std::endl;
}
return 0;
}
🔴 使用命名管道进行读写操作：在打开命名管道后，可以通过 read() 或 write() 函数对其进行读写操作。
⭕关闭命名管道
-
关闭命名管道：当进程使用完毕命名管道后，需要调用
close()函数来关闭文件描述符，释放相关资源。close(fd); // 关闭命名管道 -
注意事项
- 关闭顺序：如果有多个文件描述符指向同一个命名管道，需要依次关闭这些文件描述符，直到所有相关资源都得到释放。
-
示例
下面是一个简单的示例，演示了关闭命名管道的过程：
#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>
int main() {
int fd = open("/tmp/my_named_pipe", O_RDONLY); // 以只读方式打开命名管道
// 进行读取操作...
if (close(fd) == -1) {
perror("Error closing named pipe");
} else {
std::cout << "Named pipe closed successfully" << std::endl;
}
return 0;
}
总之，关闭命名管道是确保在进程使用完毕后释放相关资源的重要步骤。通过调用 close() 函数可以关闭文件描述符，释放命名管道相关的资源。
（2）通信方式
-
单向通信：
命名管道提供了一种单向通信的方式，一个进程可以向管道中写入数据，而另一个进程则可以从管道中读取数据。这种通信方式适用于需要单向数据传输的场景。 -
持久性：
命名管道与匿名管道不同之处在于，它以文件的形式存在于文件系统中，具有持久性。即使管道的创建进程终止，命名管道仍然存在，其他进程可以继续使用该管道进行通信。 -
阻塞和非阻塞：
在进行命名管道通信时，可以选择阻塞或非阻塞模式。在阻塞模式下，如果读取进程尝试从空管道中读取数据，它将被阻塞直到有数据可读；而在非阻塞模式下，读取进程将立即返回一个错误，从而避免阻塞。
（3）用法示例
下面是一个简单的示例，演示了两个进程通过命名管道进行通信的方式：
进程 A 写入数据到命名管道
int fd = open("/tmp/my_named_pipe", O_WRONLY); // 以只写方式打开命名管道
write(fd, "Hello, named pipe!", 18); // 向管道中写入数据
close(fd); // 关闭命名管道
进程 B 从命名管道读取数据
int fd = open("/tmp/my_named_pipe", O_RDONLY); // 以只读方式打开命名管道
char buffer[50];
read(fd, buffer, 50); // 从管道中读取数据
close(fd); // 关闭命名管道
（4）命名管道的特点
-
持久性：命名管道以文件的形式存在于文件系统中，并且具有持久性。即使创建了命名管道的进程终止，该管道仍然存在于文件系统中，其他进程可以继续使用它进行通信。
-
单向通信：命名管道提供单向通信的能力，允许一个进程向管道中写入数据，而另一个进程则可以从管道中读取数据。这种单向通信模式适用于需要单向数据传输的场景。
-
实时数据传输：命名管道允许实时的数据传输，写入管道的数据会立即被读取进程获取，从而实现了实时通信的能力。
-
阻塞和非阻塞模式：对于读取和写入操作，命名管道可以选择阻塞或非阻塞模式。在阻塞模式下，读取进程将被阻塞直到有数据可读，而在非阻塞模式下，读取进程将立即返回错误，避免阻塞。
-
简单易用：使用命名管道进行进程间通信相对简单，只需通过类似文件操作的方式打开、读取和关闭管道即可完成通信过程。
-
适用范围广泛：命名管道适用于各种场景，例如实现多个进程之间的数据共享、进程之间的控制和协调等。
5. 匿名管道与命名管道的区别
匿名管道和命名管道分别适用于不同的通信需求。
⭕匿名管道适用于有亲缘关系的父子进程间的通信。
⭕命名管道更适合不相关进程间的通信，且具有持久性和更灵活的应用方式。
1. 匿名管道：
- 单向通信：匿名管道只能支持单向通信，即数据只能从一个进程流向另一个进程，无法实现双向通信。
- 存在于内存中：匿名管道存在于内存中，并且只能用于相关进程之间的通信。一旦相关进程终止，管道也会自动被销毁。
- 只能用于父子进程间通信：匿名管道通常用于父子进程之间的通信，因为它要求通信的进程具有一定的亲缘关系。
- 通常用于shell命令间的通信：在Unix/Linux系统中，匿名管道经常用于将一个命令的输出传递给另一个命令作为输入。
2. 命名管道：
- 持久性：命名管道以文件的形式存在于文件系统中，具有持久性，即使创建管道的进程终止，管道依然存在，其他进程也可以访问和使用它。
- 可用于不相关的进程通信：命名管道可以用于不相关的进程之间的通信，这些进程可以位于不同的终端或主机上。
- 支持阻塞和非阻塞模式：命名管道可以选择阻塞或非阻塞模式进行读写操作。
- 适用于多种场景：命名管道适用于需要不相关进程之间进行通信的各种场景，例如进程之间的数据共享、控制和协调等。
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