【进程间通信】IPC、管道pipe、命名管道FIFO
【进程间通信】IPC、管道pipe、命名管道FIFO
一、什么是IPC
Linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）。
在前面我们分析过进程的虚拟地址空间结构图，实际上进程的0-3G用户区是相对独立，进程之间要想通信，是通过内核提供的一块缓冲区实现的，而IPC就是进程间通过内核提供的缓冲区进行数据交换的机制。
在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法，比如：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等。随着计算机的发展，一些方法由于自身设计缺陷被淘汰或者弃用。现今常用的进程间通信方式有：
- 管道 (使用最简单)
- pipe：管道（无名），只支持有血缘关系的进程通信（fork创建的）。
- fifo：有名管道，无血缘关系的进程间也可通信。
- mmap，文件映射共享IO，速度最快，因为它实际上是在内存中开辟一块缓冲区，然后把文件映射到这块缓冲区中，这样直接操作内存就可以了。
- 本地socket，即本地套接字 ，是最稳定通信方式。
- 信号 ，开销最小，携带信息量最小。
- 共享内存
- 消息队列
下面介绍最常用的pipe、fifo、mmap。
二、pipe管道
1. 什么是管道
管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe()系统函数就可以创建一个管道。管道具有下面的特点：
- 管道的本质是一个伪文件，实际上就是内核缓冲区。
- 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。
- 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。
管道的实现原理是这样的，实际上管道是内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区（4K）来实现的。管道在使用时也具有一定的局限性：
- 一是数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取；
- 二是由于管道采用半双工通信方式（通信方式有单工通信、半双工通信、全双工通信），因此，数据只能在一个方向上流动，有的地方也说是单工；
- 三是只能在有公共祖先的进程间使用管道。
2. pipe()函数创建管道
2.1 函数原型
- 包含头文件
#include <unistd.h>- 函数原型
int pipe(int pipefd[2]);
#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>
int pipe2(int pipefd[2], int flags);- 函数功能 pipe() creates a pipe, a unidirectional data channel that can be used for interprocess communication.
- 函数参数
- pipefd[2]：读端和写端的文件描述符
- 函数返回值
- On success, zero is returned.
- On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.
2.2 工作原理
一般来说，要在子进程创建之前使用pipe()来创建管道，这样子进程才能共享这两个文件描述符fd[1]和fd[2]。pipe()函数创建一个管道就相当于打开了一个伪文件（这个伪文件实际上是内核缓冲区，像管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区，因为这个缓冲区只能单向流通数据，所以形象的称为管道），所以调用成功会返回两个文件描述符给参数pipefd[2]，其中fd[0]代表读端，fd[1]代表写端，就像0代表标准输入1代表标准输出一样作为一种规定。并且这两个文件描述符在使用的时候不需要open()打开，但是需要我们手动的close()关闭。
管道创建成功后，父进程同时拥有读写两端，因为子进程是对父进程的复制，所以子进程也会拥有读写两端。下面通过图示来说明进程间是如何通过管道通信的。
- ① 父进程调用pipe()函数创建管道，并得到指向管道读端和写端的文件描述符fd[0]和fd[1]。创建出来的管道实际上是内核的一块缓冲区，我们可以像读写文件一样来操作这个缓冲区，所以也可以把他理解为一个伪文件。
- ② 父进程调用fork()创建子进程，子进程将共享这两个指向管道读写端的文件描述符。
- ③ 如果父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端，此时父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出，反之同理。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。
2.3 通过实战分析管道的特性
示例1：父子进程读写管道
/************************************************************
>File Name : pipe_test.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月21日 星期六 17时53分56秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
int fd[2];
pipe(fd);
pid_t pid = fork();
if(pid == 0)
{
/*子进程向管道写*/
/*sleep(3); read读设备的时候，默认是会阻塞等待的，写进程睡眠的时候，读进程会阻塞等待，直到读取到数据*/
char str[] = "hello pipe...\n";
write(fd[1], str, sizeof(str));
}
if(pid > 0)
{
char buf[15] = {0}; /*创建一个缓冲区来缓存读出的数据*/
/*read读设备的时候，默认是会阻塞等待的*/
int ret = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
if(ret > 0)
{
write(STDOUT_FILENO, buf, ret);
}
}
return 0;
}由于resd()函数读设备时默认阻塞等待的特性，即使写进程没有立即写，读进程也能读到数据，因为它会阻塞等待。
❀示例2：使用管道实现 ps | grep 命令
/************************************************************
>File Name : mpsgrep.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月21日 星期六 18时08分56秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
int fd[2];
pipe(fd);
pid_t pid = fork(); /*一个进程执行ps一个进程执行grep来实现 ps | grep*/
if(pid == 0) /*子进程执行ps*/
{/*把ps的执行结果传给grep，所以子进程写，父进程读*/
/*首先把ps命令的执行结果重定向到管道的写端（默认将执行结果输出到stdout）*/
dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
/*拉起ps进程*/
execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
}
if(pid > 0) /*父进程执行grep*/
{
/*把grep读取重定向到fd[0]，因为默认grep是在stdin获取输入的*/
/*如果在shell命令行使用grep，模式是在标准输入中匹配*/
dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
/*拉起grep进程*/
execlp("grep", "grep", argv[1], NULL);
}
return 0;
}上面的程序执行后，可以看到输出结果，确实显示了bash相关的进程信息
我们再起一个终端，使用 ps aux 命令查看进程会发现，子进程中拉起的ps进程变成了僵尸进程，并且父进程没有退出。（实际上，如果父进程退出了，子进程就会被init进程收养并回收）
ps进程变成僵尸进程是因为，我们在父进程中并没有回收子进程，因为execlp()函数拉起一个进程后，如果执行成功，就不会再返回了，那么我们也没办法去回收这个子进程ps。但是我们知道，如果父进程终止了，子进程就会被init进程收养并回收，所以我们只要让父进程（也就是程序中的grep进程）退出，就可以解决子进程回收问题了。
下面，我们分析下父进程为什么没有退出，正常情况下，父进程执行完grep命令就应该正常退出的。实际上，这是管道的特性引起的，我们知道，pipe()创建管道后会在内核分配一个缓冲区，并返回两个文件描述符，父进程和子进程都持有读写这两个文件描述符。我们在进程间通信的时候，因为管道是单向数据流通，所以只有一个进程写一个进程读，比如上面的程序，我们让子进程写，让父进程读，但这并不代表父进程不持有写端文件描述符。问题就在这里，虽然子进程已经变成了僵尸进程，但是父进程依然持有写端文件描述符，所以父进程就会认为还存在其他进程来写入管道，于是父进程就会等待写入，而不退出。
解决方法就是，我们在进程间通信时，要保证数据单向流通，在读进程中关闭管道的写端文件描述符，在写进程中关闭管道的读端文件描述符。我们依据这个原则来改造一下上面的程序即可。
/************************************************************
>File Name : mpsgrep_02.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月21日 星期六 18时08分56秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
int fd[2];
pipe(fd);
pid_t pid = fork(); /*一个进程执行ps一个进程执行grep来实现 ps | grep*/
if(pid == 0) /*子进程执行ps*/
{/*把ps的执行结果传给grep，所以子进程写，父进程读*/
/*关闭读端文件描述符，保证数据单向流通*/
close(fd[0]);
/*首先把ps命令的执行结果重定向到管道的写端（默认将执行结果输出到stdout）*/
dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
/*拉起ps进程*/
execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
}
if(pid > 0) /*父进程执行grep*/
{
/*关闭写端文件描述符，保证数据单向流通，防止读进程阻塞*/
close(fd[1]);
/*把grep读取重定向到fd[0]，因为默认grep是在stdin获取输入的*/
/*如果在shell命令行使用grep，模式是在标准输入中匹配*/
dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
/*拉起grep进程*/
execlp("grep", "grep", argv[1], NULL);
}
return 0;
}这样，父进程就不会阻塞等待，而是直接退出，而子进程也不会产生僵尸进程。
3. 管道的读写行为
使用管道进行进程间通信的时候，假设没有设置O_NONBLOCK标志（也就是说都是阻塞I/O操作），有以下几种特殊情况
- 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。
- 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。
- 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。（在讲信号的时候会细说）
- 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。
其实，总的来说可以分为读管道和写管道两种的情况
- 读管道
- 如果管道中有数据，read返回实际读到的字节数。
- 如果管道中无数据：
- 如果管道写端被全部关闭，read返回0，相当于读到文件结尾。
- 如果写端没有全部被关闭，read阻塞等待（不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu），如果不想让read阻塞，可以使用fcntl设置非阻塞。
- 写管道
- 如果管道读端全部被关闭，会产生一个信号SIGPIPE，进程异常终止（也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止）。
- 如果管道读端没有全部关闭
- 如果管道已满，write阻塞，（管道实际上是内核中的一个缓冲区，它是有大小的）。
- 如果管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。
/************************************************************
>File Name : pipe_test2.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月21日 星期六 17时53分56秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
int fd[2];
pipe(fd);
pid_t pid = fork();
if(pid == 0)
{
sleep(3);
close(fd[0]); /*关闭读端*/
char str[] = "hello pipe...\n";
write(fd[1], str, sizeof(str));
close(fd[1]); /*关闭写端*/
while(1)
{
sleep(1);
}
}
if(pid > 0)
{
close(fd[1]); /*关闭写端*/
close(fd[0]); /*关闭读端*/
char buf[15] = {0};
int status;
wait(&status);
if(WIFSIGNALED(status))
{
printf("kill: %d\n", WTERMSIG(status));
}
while(1)
{
int ret = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
if(ret > 0)
{
write(STDOUT_FILENO, buf, ret);
}
}
}
return 0;
}4. 管道（缓冲区）大小
使用命令查看
ulimit -a
管道大小是8个512byte的大小。
也可以使用函数fpathconf()查看
#include <unistd.h>
long fpathconf(int fd, int name);
/*fd可以是fd[0]或fd[1]，name是一个选项*/实际上使用 ulimit -a 看到的是内核给管道的大小，但是管道的容量实际上可能要比这个值大。
5. 管道的优缺点
- 优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。（其实要想实现父进程和子进程双向通信，可以创建两个管道）
- 缺点：
- 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。
- 只能用于有血缘关系的进程间通信（父子、兄弟等有共同祖先的进程），有名管道可解决该问题。
三、FIFO命名管道
1. 什么是FIFO
FIFO命名管道，也叫有名管道，来区分管道pipe。管道pipe只能用于有血缘关系的进程间通信，但通过FIFO可以实现不相关的进程之间交换数据。FIFO是Linux基础文件类型中的一种，但是FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中的一条通道。各进程可以打开这个文件进行read/write操作，实际上是在读写内核通道，这样就实现了进程间通信。
创建FIFO的方式：
- 使用命令创建：mkfifo 管道名，可以理解为创建一个管道伪文件。
- 使用库函数创建：mkfifo()函数，并且一旦使用mkfifo()创建了一个FIFO，就可以使用open来打开它，常见的文件I/O函数都可用于FIFO。如：close、read、write、unlink等。
实际上，创建一个FIFO命名管道的时候，内核会为FIFO（伪）文件开辟一个缓冲区，操作FIFO文件就相当于操作这个缓冲区，以此来实现进程间的通信，这种通信实际上就是文件读写的操作来实现的。（可以把FIFO理解为一个文件，一个进程向该文件写数据，另一个进程从该文件中读书数据，前提是两个进程读写的是同一个FIFO文件才能实现通信）
2. FIFO编程实战
示例：使用FIFO实现进程间通信
创建两个进程，一个进程向FIFO写数据，一个进程从FIFO读数据。
/************************************************************
>File Name : write_fifo.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月21日 星期六 22时38分08秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
if(argc < 2)
{
printf("not fount fifoname\n");
return -1;
}
/*打开一个fifo文件*/
int fd = open(argv[1], O_WRONLY);
/*写FIFO文件*/
char buf[256];
int count = 1;
while(1)
{
memset(buf, 0, sizeof(buf));
/*循环写入*/
sprintf(buf, "count %04d", count++);
/*写入FIFO*/
write(fd, buf, strlen(buf));
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}/************************************************************
>File Name : read_fifo.c
>Author : Mindtechnist
>Company : Mindtechnist
>Create Time: 2022年05月22日 星期日 09时54分37秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
if(argc < 2)
{
printf("not found fifoname\n");
return -1;
}
int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
char buf[256] = {0};
int ret;
while(1)
{
memset(buf, 0, sizeof(buf));
ret = read(fd, buf, sizeof(buf));
if(ret > 0)
{
printf("read buf: %s\n", buf);
}
}
close(fd);
return 0;
}编译两个程序生成可执行文件，并使用命令mkfifo创建一个FIFO
测试的时候，我们在SecureCRT中克隆一个会话（相当于在Linux中打开两个shell终端），一个运行写进程，一个运行读进程。要注意的是，应该先运行写进程再运行读进程。
同时我们也可以打开多个进程去读写这同一个FIFO缓冲区，当多个进程去读的时候，被读进程1读走的数据就不会再被进程2读取了，比如说下面图中所示，这个进程读到的是36 38 40，而另一个进程读到的是37 39 41。（也可以开启多个写进程去写，读者可自行测试）
我们在读写FIFO的时候都使用了open()函数，使用open函数的时候有一个注意事项，使用open打开FIFO文件的时候，read端会阻塞等待write端open打开文件，直到write进程也使用open打开FIFO的时候，read进程中的open才会返回，反过来也是一样。我们可以在open函数的前后分别打印一句话来测试，只有读端写端都open了FIFO，第二个printf()语句才能打印。实际上只要有一个write和一个read打开了FIFO，就可以，不管是同一个进程还是多个进程。
printf("hello open...\n");
int fd = open(argv[1], O_WRONLY);
printf("bye open...\n");附：通过一个makefile编译多个程序
.PHONY:all clean
CC=gcc
CFLAGS=-Wall -g
EXE=write_fifo read_fifo
all:$(EXE)
%.o:%.c
$(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@
clean:
-@rm -f *.o $(EXE)
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