【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

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。
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。
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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