linux - 进程间通信教程

进程间通信

概念

linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程都有各自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A把数据从用户空间拷贝到内核缓冲区，进程B再从内核缓冲区把数据读取，内核提供这种机制成为进程间通信，简称IPC；

通信方式

如：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名套接字；

常用的包括不限于：

• 管道
• 信号
• 共享映射区
• 本地套接字

管道

概念

管道是一种最基本的ipc机制，也称匿名管道，应用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe函数即可创建一个管道；

管道的特性：

• 管道的本质是一块内核缓冲区
• 由两个文件描述符引用，一个表示写，一个表示读
• 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。
• 两个进程都终结的时候，管道也自动消失。
• 管道的读端和写端默认都是阻塞的。
• 默认缓冲区大小为4K，可以使用ulimit -a命令获取大小。

局限性

• 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
• 数据只能在一个方向上流动，若要实现双向流动，必须使用两个管道
• 只能在有血缘关系的进程间使用管道。

使用

pipe

创建一个管道，若函数调用成功，fd[0]存放管道的读端，fd[1]存放管道的写端；

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

#define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
#include <fcntl.h>              /* Obtain O_* constant definitions */
#include <unistd.h>

int pipe2(int pipefd[2], int flags);

函数调用成功返回读端和写端的文件描述符，其中fd[0]是读端， fd[1]是写端，向管道读写数据是通过使用这两个文件描述符进行的，读写管道的实质是操作内核缓冲区。

父子进程管道通信

个进程在由pipe()创建管道后，一般再fork一个子进程，然后通过管道实现父子进程间的通信（因此也不难推出，只要两个进程中存在血缘关系，这里的血缘关系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式来进行通信）。父子进程间具有相同的文件描述符，且指向同一个管道pipe，其他没有关系的进程不能获得pipe（）产生的两个文件描述符，也就不能利用同一个管道进行通信。

第一步：父进程创建管道

第二步：父进程fork出子进程

第三步：父进程关闭fd[0]，子进程关闭fd[1]

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/wait.h>
int main(int argc,char* args[])
{
        int status;
        //创建管道
        int fd[2];
        int ret = pipe(fd);
        if(ret<0)
        {
                perror("pipe error");
                return -1;
        }
        //创建子进程
        pid_t pid = fork();
        if(pid<0)
        {
                perror("fork error");
                return -1;
        }
        else if(pid>0)
        {
                //关闭读端
                close(fd[0]);
                sleep(5);
                write(fd[1],"hello,world",strlen("hello,world"));
                //wait(NULL);
                waitpid(-1, &status, WNOHANG);
        }
        else
        {
                //关闭写端
                close(fd[1]);
                char buf[1024];
                memset(buf,0,sizeof(buf));
                int n = read(fd[0],buf,sizeof(buf));
                printf("read over:%s\n",buf);
        }
        return 0;
}

ps -aux

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/wait.h>
int main(int argc,char* args[])
{
        int status;
        //创建管道
        int fd[2];
        int ret = pipe(fd);
        if(ret<0)
        {
                perror("pipe error");
                return -1;
        }
        //创建子进程
        pid_t pid = fork();
        if(pid<0)
        {
                perror("fork error");
                return -1;
        }
        else if(pid>0)
        {
                //关闭读端
                close(fd[0]);
                //将标准输出重定向到管道的写端
                dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);

                execlp("ps","ps","aux",NULL);
                perror("execlp error");
                wait(NULL);
        }
        else
        {
                //关闭写端
                close(fd[1]);
                //将标准输入重定向到管道的读端
                dup2(fd[0],STDIN_FILENO);
                execlp("grep","grep","bash",NULL);
                perror("execlp error");

        }
        return 0;
}

管道读写

读操作

• 有数据

  • read正常都，返回读出的字节大小

• 无数据

  • 写端全部关闭，read解除阻塞，返回0，相当于读到了文件尾部；
  • 写端没有全部关闭，read阻塞

写操作

• 读端全部关闭

  • 管道破裂，进程终止，内核给当前线程发送SIGSTOP信号

• 读端没有全部关闭

  • 缓冲区写满

    • write阻塞

  • 缓冲区没有满

    • 继续write

兄弟进程通信

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd[2];   //用来标记管道的两端的文件描述符
    int ret = pipe(fd);  //创建管道 pipe. fd[2] 是固定的输出参数

    if (ret == -1) {
        perror("[pipe create file] ");
        return 0;
    }
        
    int pipeRead = fd[0];   
    int pipeWrite = fd[1];

    int i = 0;
    for ( ; i < 2; i++) {
        pid_t pid = fork();
        
        if (pid == 0)
            break;

        if (pid == -1)
            perror("[creator process file:]");

    }

    if (i == 0) {                         //child process 1
        dup2(pipeWrite, STDOUT_FILENO);   
        close(pipeRead);
        execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
    } else if (i == 1) {                 //child process 2
        dup2(pipeRead, STDIN_FILENO);    
        close(pipeWrite);
        execlp("grep", "grep", "bash", "--color=auto", NULL);
    } else if (i == 2) {                 //parent process
        close(pipeWrite);
        close(pipeRead);

        // sleep(2);
        int wpid;
        while ( wpid = waitpid(-1, NULL, WNOHANG) != -1) {  //回收子进程
            if (wpid == 1) ///sbin/init splash 进程    /sbin/launchd
                continue;

            if (wpid == 0) 
                continue;

            printf("child dide pid = %d\n", wpid);
        }    
    }
    
    printf("pipeWrite = %d,  pipeRead = %d\n", pipeWrite, pipeRead);
    return 0;
}

管道非阻塞

默认情况下，管道的读写两端都是阻塞的，若要设置读或者写端为非阻塞，则可参考下列三个步骤进行：

第1步： int flags = fcntl(fd[0], F\_GETFL, 0);

第2步： flag |= O\_NONBLOCK;

第3步： fcntl(fd[0], F\_SETFL, flags);

若是读端设置为非阻塞：

• 写端没有关闭，管道中没有数据可读，则read返回-1；
• 写端没有关闭，管道中有数据可读，则read返回实际读到的字节数
• 写端已经关闭，管道中有数据可读，则read返回实际读到的字节数
• 写端已经关闭，管道中没有数据可读，则read返回0

查看管道缓冲区大小

long fpathconf(int fd, int name);
long pathconf(const char *path, int name);


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/wait.h>
int main(void)
{
        int fd[2];
        int ret = pipe(fd);
        int pipeSize = fpathconf(fd[0],_PC_PIPE_BUF);
        printf("pipesize = %d\n",pipeSize);
        return 0;
}

命名管道

概念

FIFO常被称为命名管道，以区分管道(pipe)。管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间通信。但通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。

FIFO是Linux基础文件类型中的一种（文件类型为p，可通过ls -l查看文件类型）。但FIFO文件在磁盘上没有数据块，文件大小为0，仅仅用来标识内核中一条通道。进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核缓冲区，这样就实现了进程间通信。

创建管道

适用于无血缘关系的进程之间的通信。进程之间是不要使用 sleep() 函数的，因为管道默认就是堵塞的。虽然实现形态上是文件，但是管道本身并不占用磁盘或者其他外部存储的空间。在Linux的实现上，它占用的是内核的一段缓冲区空间。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

#include <fcntl.h>           /* Definition of AT_* constants */
#include <sys/stat.h>

int mkfifoat(int dirfd, const char *pathname, mode_t mode);

fifo进程通信

//fifo_read.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>
int main()
{
        //int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
        //创建fifo文件
        /*int ret = mkfifo("./myfifo",0777);
        if(ret<0)
        {
                perror("fifo error");
                return -1;
        }*/
        //打开文件
        int fd = open("./myfifo",O_RDWR);
        if(fd<0)
        {
                perror("open error");
                return -1;
        }

        char buf[64];
        memset(buf,0,sizeof(buf));
        int n = read(fd,buf,sizeof(buf));
        printf("%s\n",buf);
        //关闭文件
        close(fd);
        getchar();
        return 0;
}

//fifo_write.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>
int main()
{
        //int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
        //创建fifo文件
        int ret = mkfifo("./myfifo",0777);
        if(ret<0)
        {
                perror("fifo error");
                return -1;
        }
        //打开文件
        int fd = open("./myfifo",O_RDWR);
        if(fd<0)
        {
                perror("open error");
                return -1;
        }
        //写文件
        write(fd,"hello,world",strlen("hello,world"));
        //关闭文件
        //close(fd);
        getchar();
        return 0;
}