Java教程

进程间通信——管道

本文主要是介绍进程间通信——管道,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

文章目录

  • 进程间通信介绍
    • 进程间通信目的
    • 进程间通信发展
    • 进程间通信分类
  • 管道
    • 什么是管道
    • 匿名管道
    • 实例代码
    • 用fork来共享管道原理
    • 站在文件描述符角度-深度理解管道
    • 站在内核角度-管道本质
    • 管道读写规则
    • 命令行中的 `|` 管道中,进程间是兄弟关系
    • 管道特点
    • 命名管道
    • 创建一个命名管道
    • 匿名管道与命名管道的区别
    • 命名管道的打开规则
    • 用命名管道实现server&client通信

进程间通信介绍

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。

进程间通信发展

  • 管道
  • System V进程间通信
  • POSIX进程间通信

进程间通信分类

管道

  • 匿名管道pipe
  • 命名管道

System V IPC

  • System V 消息队列
  • System V 共享内存
  • System V 信号量

POSIX IPC

  • 消息队列
  • 共享内存
  • 信号量
  • 互斥量
  • 条件变量
  • 读写锁

要让两个不同的进程实现通信,前提是让这两个进程看到同一份资源

管道

什么是管道

  • 管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。
  • 我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道 ”

匿名管道

#include <unistd.h>
功能:创建一个无名管道
函数原型
int pipe(int fd[2]);
参数
fd:文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值:成功返回0,失败返回-1

image-20211006014034149

实例代码

//例子:从键盘读取数据,写入管道,读取管道,写到屏幕
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main( void )
{
    int fds[2];
    char buf[100];
    int len;
    
    if ( pipe(fds) == -1 )//创建匿名管道
    	perror("make pipe"),exit(1);
    
    // read from stdin
    while ( fgets(buf, 100, stdin) ) //循环向buf中写数据
    {
        len = strlen(buf);
        
        // write into pipe
        //先写再判断
        if (write(fds[1], buf, len) != len) //当实际写入管道的字符个数不等于buf长度时,就写入错误
        {
            perror("write to pipe");
            break;
        }
        
        memset(buf, 0x00, sizeof(buf));//将buf的内容置为0
        
        // read from pipe
        if ( (len=read(fds[0], buf, 100)) == -1 ) //先读再判断
        {
            perror("read from pipe");
            break;
        }
        
        // write to stdout
        if ( write(1, buf, len) != len ) //先写再判断
        {
            perror("write to stdout");
            break;
        }
        
    }
}

用fork来共享管道原理

image-20211006015013478

站在文件描述符角度-深度理解管道

因为我们最开始的进程打开了标准输入、标准输出、标准错误三个文件,所以之后所有的进程都默认打开这三个文件

为什么文件不会各自私有?因为文件是不属于进程的

image-20211006021646696

站在内核角度-管道本质

image-20211006023255188

f_op就是我们之前说的函数指针。

图是简化理解的,inode指针并不在struct file中

所以,看待管道,就如同看待文件一样!管道的使用和文件一致,迎合了“Linux一切皆文件思想” 。

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#define ERR_EXIT(m) \ do \ { \ perror(m); \ exit(EXIT_FAILURE); \ } while(0)
int main(int argc, char *argv[])
{ 	
    int pipefd[2]; 
    if (pipe(pipefd) == -1) 
        ERR_EXIT("pipe error");
    
    pid_t pid;
	pid = fork();
    if (pid == -1)
    	ERR_EXIT("fork error");
    
    if (pid == 0) //子进程
    {
        close(pipefd[0]);//关闭读端
        
        //向管道写入
        write(pipefd[1], "hello", 5);
        //关闭写端,减少文件描述符的占用
        close(pipefd[1]);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    
    //父进程关闭写端
    close(pipefd[1]);
    
    char buf[10] = {0};
    //从管道中读数据
    read(pipefd[0], buf, 10);
    printf("buf=%s\n", buf);
    
    return 0;
}

管道读写规则

  1. 如果写端不关闭文件描述符,也不写入,读端可能会阻塞很长时间(可能管道中一开始就有数据,不会立马就阻塞)

    示例:

    #include<stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include<string.h>
    
    
    int main()
    {
      int pi[2] = {0};
      if (pipe(pi) < 0)//创建匿名管道失败
      {
        perror("pipe");
        return 1;
      }
      
      int pid = fork();
      if (pid < 0)
      {
        perror("fork");
        return 1;
      }
      
      //让子进程写,父进程读  
      if (pid == 0)//子进程
      {
        //怕失误使用了另一个接口,所以关闭子进程的读
        close(pi[0]);
    
        const char* buf = "I am a child!\n";
    
        while (1)
        {
          write(pi[1], buf, strlen(buf));
          sleep(3);//子进程每隔3s才写入
        
        }
      }
      else//父进程,只读 
      {
        close(pi[1]);
        char buf[64];
        while (1)
        {
          ssize_t s = read(pi[0], buf, sizeof(buf) - 1);
          
          if (s > 0)
          {
            buf[s] = 0;
          }
    
          printf("father get info from pipe:%s\n", buf);
        
        } 
      }
    
      return 0;
    }
    
    

    因为子进程每隔3s才写入管道,而父进程则是无间断地读取管道数据,所以相对来说父进程会阻塞一段时间:

    匿名管道1

    所以,如果我们关闭了子进程的文件描述符,父进程就会一直在等待,也就是陷入长时间的阻塞。

  2. 当我们写入时,如果写入条件不满足(管道满了,读端读取速度太慢),写入端就会阻塞

    #include<stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include<string.h>
    
    
    int main()
    {
      int pi[2] = {0};
      if (pipe(pi) < 0)//创建匿名管道失败
      {
        perror("pipe");
        return 1;
      }
      
      int pid = fork();
      if (pid < 0)
      {
        perror("fork");
        return 1;
      }
      
      //让子进程写,父进程读  
      if (pid == 0)//子进程
      {
        //怕失误使用了另一个接口,所以关闭子进程的读
        close(pi[0]);
    
        const char* buf = "I am a child!\n";
        
        int count = 0;
        while (1)
        {
          
          write(pi[1], buf, strlen(buf));
          printf("CHILD:%d\n", count++);
        }
      }
      else//父进程,只读 
      {
        close(pi[1]);
        char buf[64];
        while (1)
        {
          ssize_t s = read(pi[0], buf, sizeof(buf) - 1);
          sleep(1);//父进程每隔1s读一次
    
          if (s > 0)
          {
            buf[s] = 0;
          }
            
          printf("father get info from pipe:%s\n", buf);
        
        } 
      }
    
      return 0;
    }
    

    可以看到,子进程一开始就在猛地写入,而父进程每隔1s才读一次数据,并且从父进程开始读数据,子进程就没有再写入了,是因为管道满了,写入条件不满足,无法完成写入。

    匿名管道2

  3. 如果写端关闭文件描述符,读端在读取管道时会读到0,也就是read函数返回0

    #include<stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include<string.h>
    
    
    int main()
    {
      int pi[2] = {0};
      if (pipe(pi) < 0)//创建匿名管道失败
      {
        perror("pipe");
        return 1;
      }
      
      int pid = fork();
      if (pid < 0)
      {
        perror("fork");
        return 1;
      }
      
      //让子进程写,父进程读  
      if (pid == 0)//子进程
      {
        //怕失误使用了另一个接口,所以关闭子进程的读
        close(pi[0]);
    
        const char* buf = "I am a child!\n";
        
        int count = 0;
        while (1)
        {
          if (count == 5)//子进程只写入5次
            close(pi[1]);
    
          write(pi[1], buf, strlen(buf));
          ++count;
        }
      }
      else//父进程,只读 
      {
        close(pi[1]);
        char buf[64];
        while (1)
        {
          ssize_t s = read(pi[0], buf, sizeof(buf) - 1);
          sleep(1);//父进程休眠1s再读取
    
          if (s > 0)
          {
            buf[s] = 0;
            
          	printf("father get info from pipe:%s\n", buf);
          }
          printf("father exit return : %d\n", s);
        } 
    
      }
    
      return 0;
    }
    
    

    子进程无休眠地只写入5次,而父进程休眠1s读取一次,当子进程停止写入后,父进程从管道中读取的数据就为0了。

    匿名管道3

  4. 如果读端关闭,写端进程可能直接被杀掉

    #include<stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include<string.h>
    #include<stdilb.h>
    
    int main()
    {
      int pi[2] = {0};
      if (pipe(pi) < 0)//创建匿名管道失败
      {
        perror("pipe");
        return 1;
      }
      
      int pid = fork();
      if (pid < 0)
      {
        perror("fork");
        return 1;
      }
      
      //让子进程写,父进程读  
      if (pid == 0)//子进程
      {
        //怕失误使用了另一个接口,所以关闭子进程的读
        close(pi[0]);
    
        const char* buf = "I am a child!\n";
        
        int count = 0;
        while (1)
        {
    		
          write(pi[1], buf, strlen(buf));
        	printf("CHILD:%d\n", count++);
        }
    
        exit(2);
      }
      else//父进程,只读 
      {
        close(pi[1]);
        char buf[64];
        int count = 0;
        while (1)
        {
          if (5 == count++)
          {   
              close(pi[0]);
          	  break;
          }
          ssize_t s = read(pi[0], buf, sizeof(buf) - 1);
          sleep(1);
    
          if (s > 0)
          {
            buf[s] = 0;
          	printf("father get info from pipe:%s\n", buf);
          }
    
        } 
    
      }
    
      return 0;
    }
    
    

    初步观察:

匿名管道4.1

我们看到在父进程读取5次后,父子进程都结束了,子进程也没有继续打印了,而是退出了。

我们不让父进程结束,再来用脚本来观察父子进程的状态:

shell脚本:

   while :; do ps axj |grep mypipe | grep -v grep; echo "######################################"; sleep 1; done

效果:

匿名管道4.2

可以看到实际上子进程是处于僵尸状态了,也就是退出了。

实际上,它是被操作系统杀掉了,因为管道里面已经没人读数据了,而子进程还往管道里面写数据是在浪费资源,操作系统不允许这种行为发生,于是,就杀掉了子进程。

既然子进程是被杀掉的,就需要用父进程回收,并且获取它的信号

修改一下代码,让父进程等待,并且获取信号:

匿名管道4.2

可以看到子进程的退出信号是13

我们使用kill -l查看一下kill的13号命令:

image-20211006001505386

顾名思义,该信号是用来杀死管道相关的进程的。

修改代码:

   #include<stdio.h>
   #include <unistd.h>
   #include<string.h>
   #include<stdlib.h>
   #include<sys/wait.h>
   
   int main()
   {
     int pi[2] = {0};
     if (pipe(pi) < 0)//创建匿名管道失败
     {
       perror("pipe");
       return 1;
     }
     
     int pid = fork();
     if (pid < 0)
     {
       perror("fork");
       return 1;
     }
     
     //让子进程写,父进程读  
     if (pid == 0)//子进程
     {
       //怕失误使用了另一个接口,所以关闭子进程的读
       close(pi[0]);
   
       const char* buf = "I am a child!\n";
       
       int count = 0;
       while (1)
       {
   
         write(pi[1], buf, strlen(buf));
         printf("CHILD:%d\n", count++);
       }
   
       exit(2);
     }
     else//父进程,只读 
     {
       close(pi[1]);
       char buf[64];
       int count = 0;
       while (1)
       {
         if (5 == count++)
         { 
           close(pi[0]);
           break;
         }
         
         ssize_t s = read(pi[0], buf, sizeof(buf) - 1);
         sleep(1);
   
         if (s > 0)
         {
           buf[s] = 0;
           printf("father get info from pipe:%s\n", buf);
       
         }
         
       } 
   
         //父进程获取子进程的退出信号
         int status = 0;
         waitpid(pid, &status, 0);
         printf("child exited, father gets the signal:%d\n", status & 0x7f);
     }
   
     return 0;
   }
   

命令行中的 | 管道中,进程间是兄弟关系

我们使用sleep 2000 | sleep 1000命令运行,再复制一个会话查看它们的进程pid信息:

image-20211006002002190

  • 当没有数据可读时

    • O_NONBLOCK disable:read调用阻塞,即进程暂停执行,一直等到有数据来到为止。
    • O_NONBLOCK enable:read调用返回-1,errno值为EAGAIN。
  • 当管道满的时候

    • O_NONBLOCK disable: write调用阻塞,直到有进程读走数据
    • O_NONBLOCK enable:调用返回-1,errno值为EAGAIN
  • 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭,则read返回0

  • 如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭,则write操作会产生信号SIGPIPE,进而可能导致write进程
    退出

  • 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,linux将保证写入的原子性。

  • 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,linux将不再保证写入的原子性。

管道特点

  • 只能用于具有共同祖先的进程(具有亲缘关系的进程)之间进行通信;通常,一个管道由一个进程创
    建,然后该进程调用fork,此后父、子进程之间就可应用该管道。
  • 管道提供流式服务
  • 一般而言,进程退出,管道释放,所以管道的生命周期随进程
  • 一般而言,内核会对管道操作进行同步与互斥
  • 管道是半双工的,数据只能向一个方向流动;双方通信时,需要建立起两个管道

image-20211102131759476

匿名管道的进程间是兄弟关系

命名管道

  • 管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先(具有亲缘关系)的进程间通信。
  • 如果我们想在不相关的进程之间交换数据,可以使用FIFO文件来做这项工作,它经常被称为命名管道。
  • 命名管道是一种特殊类型的文件

创建一个命名管道

  • 命名管道可以从命令行上创建,命令行方法是使用下面这个命令:

    $ mkfifo filename
    
  • 命名管道也可以从程序里创建,相关函数有 :

    int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);
    //filename就是管道名
    
  • 创建命名管道:

    int main(int argc, char *argv[])
    {
        mkfifo("p2", 0644);
        return 0;
    }
    

匿名管道与命名管道的区别

  • 匿名管道由pipe函数创建并打开。
  • 命名管道由mkfifo函数创建,打开用open
  • FIFO(命名管道)与pipe(匿名管道)之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同,一但这些工作完
    成之后,它们具有相同的意义

命名管道的打开规则

  • 如果当前打开操作是为读而打开FIFO时

    • O_NONBLOCK disable:阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
    • O_NONBLOCK enable:立刻返回成功
  • 如果当前打开操作是为写而打开FIFO时

    • O_NONBLOCK disable:阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
    • O_NONBLOCK enable:立刻返回失败,错误码为ENXIO

用命名管道实现server&client通信

makefile

# ll
total 12
-rw-rw-r-- 1 ysj ysj 568 Oct  6 01:18 client.c
-rw-rw-r-- 1 ysj ysj 138 Oct  6 01:07 makefile
-rw-rw-r-- 1 ysj ysj 662 Oct  6 01:15 server.c

# cat Makefile
.PHONY:all
all:server client 

server:server.c
	gcc $^ -o $@
client:client.c
	gcc $^ -o $@

.PHONY:clean
clean:
	rm -f server client fifo

server.c

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include<unistd.h>

#define FIFE_FIFO "fifo"

int main()
{
  umask(0);
  mkfifo(FIFE_FIFO, 0666);
  
  int rfd = open(FIFE_FIFO, O_RDONLY);
  if (rfd < 0)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  
  char buf[64];

  while (1)
  {
    buf[0] = 0;
    printf("p")
    ssize_t s = read(rfd, buf, sizeof(buf) - 1);
    if (s > 0)
    {
        buf[s - 1]= 0;
        printf("client say:# %s\n", buf);
        
    }
    else if(s == 0) 
    {
      printf("exit,too\n");
      break; 
    }
    else {
      perror("read");
      return 1;
    }
    
  }

  close(rfd);
  return 0;
}

client.c

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#define FIFE_FIFO "fifo"

int main()
{
  
  int wfd = open(FIFE_FIFO, O_WRONLY);
  if (wfd < 0)
  {
    perror("open");
    return 1;
  }
  
  char buf[64];

  while (1)
  {
    printf("Please Enter:# ");
    fflush(stdout);
      
    ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
    if (s > 0)
    {
      buf[s]= 0;
      write(wfd, buf, strlen(buf));
    }
    else 
    {
      printf("exit\n");
      break; 
    }
    
  }

  close(wfd);
  return 0;
}

结果:

server和client

为什么一开始没有打印please wait…呢?
因为在server中,open的时候读端没有打开,就被阻塞在了open处,等到client开始运行,写端打开,所以server结束阻塞,开始运行,才打印了please wait…

servet和client没有关系,所以命名管道与匿名管道在这一点上不同:

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这篇关于进程间通信——管道的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对大家有所帮助,也希望大家多多支持为之网!