【Linux】进程间通信——匿名管道

大耳朵土土垚

发布于 2024-11-21 12:56:19

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1.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

💥进程具有独立性，所以不同进程间通信该如何通信呢？ 进程间进行通信，首先需要让不同的进程看到同一份资源（某种形式的内存空间），并且因为进程具有独立性的特性，一个进程不能在另一个进程中操作某种资源，所以该资源的提供者不能是进程，只能是操作系统，这也是进程间通信的核心。

进程间通信有两类通信方案——本地通信和网络通信；本地通信就是指在同一台主机同一个操作系统，不同进程间进行通信；后文讲的都是本地通信，网络通信等后续再学习。

2. 进程间通信分类

Linux进程间通信可以分为以下几种分类：

匿名管道（Pipe）：管道是一种半双工的通信机制，可以在同一个进程中的两个文件描述符之间传递数据。
命名管道（Named Pipe）：命名管道也是一种半双工的通信机制，但是可以在不同进程之间进行通信。
信号（Signal）：信号是一种在进程之间传递简单消息的机制，主要用于进程之间的通知和同步。
消息队列（Message Queue）：消息队列是一种通过消息传递进行通信的机制，可以在不同进程之间传递消息。
共享内存（Shared Memory）：共享内存是一种进程间通信的高效机制，多个进程可以通过映射同一块内存区域来实现数据的共享。
信号量（Semaphore）：信号量是一种用于进程之间同步和互斥的机制，可以用来控制对共享资源的访问。
套接字（Socket）：套接字是一种可以在不同主机之间进行进程间通信的机制，可以实现分布式系统间的通信。
文件锁（File Lock）：文件锁是一种用于进程之间同步和互斥的机制，可以通过锁定文件来控制对共享资源的访问。

需要根据具体的业务需求选择适合的进程间通信方式，每种通信方式都有其特点和适用场景。

3. 管道

管道是一种最简单的进程间通信方式，可以通过创建一个管道文件来实现两个进程之间的通信。读进程从管道中读取数据，写进程向管道中写入数据。管道只能在具有父子关系的进程之间使用。

父进程创建子进程后，子进程会拷贝父进程的task_struct，同样父进程在创建子进程之前打开了一个文件，子进程也会拷贝该文件的struct file，此时两个进程就指向同一个操作系统提供给该文件的内核缓冲区，所以就可以通过的该文件的内核缓冲区进行通信了：

管道分为匿名管道pipe和命名管道。

4. 匿名管道pipe

在Linux中，匿名管道（anonymous pipe）是一种常用的进程间通信机制。它的原理与上图类似，是通过pipe系统调用来创建一个管道文件，该文件与上图文件不同，没有inode，也不需要写入磁盘，仅仅用来给父子进程间进行通信，可以说是一次性使用的，没有名字，所以称为匿名管道。

创建匿名管道的思路如下：

父进程调用系统调用创建管道：

父进程使用读和写两种方式打开管道文件，虽然是一个管道文件，但是文件描述符有两个并且struct file也有两个，一个指向读，一个指向写，但是都指向同一个文件内核缓冲区

父进程创建子进程：

子进程拷贝父进程的task_struct，这也就是为什么父进程要先将管道创建出来，再创建子进程并且要将读写文件同时打开，是为了给子进程继承

如果父进程写入，子进程读取，那么就将父进程读取端关闭，子进程写入端关闭；如果父进程读取，子进程写入，那么就反之：

如果不关文件描述符，会造成文件描述符泄露并且可能会误操作，所以建议关闭

管道的通信是单向的，即父进程或子进程不能对一个管道同时读和写，只能选择一个，父进程读，子进程就写；子进程读，父进程就写。

在Linux系统中，可以使用以下系统调用接口创建匿名管道：

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

该函数会创建一个管道，并将相应的读取和写入文件描述符存储在pipefd数组中。pipefd[0]表示读取端文件描述符，pipefd[1]表示写入端文件描述符。

使用示例：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int pipefd[2];
    int ret = pipe(pipefd);
    
    if (ret == -1) {
        perror("pipe");
        return 1;
    }
    
    printf("读取端文件描述符：%d\n", pipefd[0]);
    printf("写入端文件描述符：%d\n", pipefd[1]);
    
    return 0;
}

运行以上程序，会输出管道的读取和写入端文件描述符。

需要注意的是，创建管道时需要保证父子进程之间的通信，因为管道只能在具有亲缘关系的进程之间使用。通常情况下，我们会调用pipe之后创建子进程，将管道传递给子进程。

以下是一个通过匿名管道简单实现进程间通信的代码：

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


//子进程写，父进程读
int main()
{
    //1.创建管道
    int pipefd[2];
    int n = pipe(pipefd);
    if(n == -1)
    {
        std::cerr<<"pipe error"<<std::endl;
        return 1;
    }

    //2.创建子进程
    pid_t id = fork();

    //3.关闭不需要的文件描述符fd
    if(id < 0)
    {
        std::cerr<<"fork error"<<std::endl;
        return 1;
    }
    else if(id == 0)//子进程
    {
        ::close(pipefd[0]);//关闭读端
        //向管道写入数据
        std::string message = "hello, I am child process.";
        ::write(pipefd[1],message.c_str(),message.size());
        ::exit(0);
    }
    else//父进程
    {
        ::close(pipefd[1]);//关闭写端
        char buffer[1024];
        ssize_t count = ::read(pipefd[0],buffer,1024);
        if(count > 0)
        {
            buffer[count] = 0;
            std::cout<<"child->father,message:"<<buffer<<std::endl;
        }

        pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);
        std::cout<<"father wait child success:"<<rid<<std::endl;
    }
    return 0;
}

将该代码编译为可执行文件后运行结果如下：