进程间通信之管道总结

java哥 阅读:351 2021-05-14 10:26:04 评论:0

一、 进程间通信介绍
1、进程通信的目的
(1)数据传输:一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。
(2)资源共享:多个进程之间共享同样的资源。
(3)通知事件:一个进程需要向另一个或一组进程发送信息,通知它(它们)发生了某种事件(如进程终止时要通知父进程)。
(4)进程控制:有些进程需要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变化。

2、进程通信的发展
(1)管道
(2)System V进程间通信
(3)POSIX进程间通信

3、进程通信的分类
(1)管道
1)匿名管道pipe
2)命名管道

(2)System V IPC
1)System V消息队列
2)System V共享内存
3)System V信号量

(3)POSIX IPC
1)消息队列
2)共享内存
3)信号量
4)互斥量
5)条件变量
6)读写锁

二、管道
1、管道的含义:
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”。
【例】
这里写图片描述
如图所示:
这里写图片描述

2、匿名管道
(1)原型:
int pipe(int fd[2]);存放在<unistd.h>中。
(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。
(3)返回值:
成功返回0,失败返回错误代码。
(4)功能:
创建一无名管道。如下图所示:
这里写图片描述

(5)实例代码:
【例】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<unistd.h> 
#include<string.h> 
 
int main(void) 
{ 
	int fds[2]; 
	char buf[100]; 
	int len; 
	 
	if(pipe(fds) == -1) 
		perror("make pipe"), exit(1); 
 
	//read from stdin 
	while(fgets(buf, 100, stdin)){ 
		len = strlen(buf); 
		//write into pipe 
		if(write(fds[1], buf, len) != len){ 
			perror("write to pipe"); 
			break; 
		} 
		memset(buf, 0x00, sizeof(buf)); 
 
		//read to pipe 
		if((len = read(fds[0], buf, 100)) == -1){ 
			perror("read from pipe"); 
			break; 
		} 
 
		//write to stdout 
		if(write(1, buf, len) != len){ 
			perror("write to stdout"); 
			break; 
		} 
	} 
} 

运行结果为:
这里写图片描述

3、理解管道
(1)用fork来分析管道原理,如下图所示:
这里写图片描述
这里写图片描述

(2)从文件描述符角度理解管道
1)父进程创建管道
这里写图片描述

2)父进程fork出子进程
这里写图片描述

3)父进程关闭fd[0],子进程关闭fd[1]
这里写图片描述

(3)从内核角度理解管道
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“在Linux中,一切皆为文件的思想”。

(4)实例代码

#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<unistd.h> 
#include<string.h> 
 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
	int pipefd[2]; 
	if(pipe(pipefd) == -1) 
		perror("pipe error!"); 
 
	pid_t pid; 
	pid = fork(); 
	if(pid == -1) 
		perror("fork error!"); 
 
	if(pid == 0){ 
		close(pipefd[0]); 
		write(pipefd[1], "hello", 5); 
		close(pipefd[1]); 
		exit(EXIT_SUCCESS); 
	} 
 
	close(pipefd[1]); 
	char buf[10] = {0}; 
	read(pipefd[0], buf, 10); 
	printf("buf=%s\n", buf); 
 
	return 0; 
} 

运行结果为:
这里写图片描述

4、管道读写规则
(1)当没有数据可读时
1)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。
2)O_NONBLOCK enable:read调用返回-1,errno值为EAGAIN。

(2)当管道满的时候
1)O_NONBLOCK disable:write调用阻塞,直到有进程读走数据。
2)O_NONBLOCK enable:调用返回-1,error值为EAGAIN。

(3)注意:
1)如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭,则read返回0;
2)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。
3)当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,Linux将保证写入的原子性。
4)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。

5、管道特点
(1)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,一个管道有一个进程创建,然后由该进程调用fork,此后父子进程之间就可应用该管道进行数据传送。
(2)一般而言,进程退出,管道释放,所以管道的生命随进程。
(3)一般而言,内核会对管道操作进行同步与互斥。
(4)管道是半双工的,数据只能从一个方向流动;需要双方通信时,需要建立起两个管道。如下图所示:
这里写图片描述

6、命名管道
(1)命名管道的作用
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的文件。

(2)命名管道的创建
1)命名管道可以从命令行上创建
如:$ mkfifo filename

2)命名管道也可以从程序里创建,相关函数有:
如:int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);
创建命名管道如下:

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

(3)匿名管道和命名管道的区别
1)匿名管道有pipe函数创建并打开。
2)命名管道有mkfifo函数创建,打开用open。
3)FIFO(命名管道)与pipe(匿名管道)之间唯一的区别在于它们创建于打开的方式不同,一旦这些工作完成之后,它们具有相同的语义。

(4)命名管道的打开规则
1)为读而打开
O_NONBLOCK disable:阻塞直到有相应进程为写打开该FIFO。
O_NONBLOCK enable:立刻返回成功。

2)为写而打开
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。

(5)实例代码
【例1】用命名管道实现文件拷贝
1)读取文件,写入命名管道。从文件“ipc1.c”中拷贝到文件“file”中。

#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<unistd.h> 
#include<string.h> 
#include<fcntl.h> 
 
int main(int argc, int *argv[]) 
{ 
	mkfifo("tp", 0644); 
	int infd; 
	infd = open("ipc1.c", O_RDONLY); 
	if(infd == -1) 
		perror("open error!"); 
 
	int outfd; 
	outfd = open("file", O_WRONLY); 
	if(outfd == -1) 
		perror("open error!"); 
 
	char buf[1024]; 
	int n; 
	while((n = read(infd, buf, 1024)) > 0) 
	{ 
		write(outfd, buf, n); 
	} 
	close(infd); 
	close(outfd); 
	return 0; 
} 

2)读取管道,写入目标文件

#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<unistd.h> 
#include<string.h> 
#include<fcntl.h> 
 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
	int outfd; 
	outfd = open("abc.bak", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644); 
	if(outfd == -1) 
		perror("open error!"); 
 
	int infd = open("tp", O_RDONLY); 
	if(outfd == -1) 
		perror("open error!!"); 
 
	char buf[1024]; 
	int n; 
	while((n=read(infd, buf, 1024)) > 0) 
	{ 
		write(outfd, buf, n); 
	} 
	close(infd); 
	close(outfd); 
	unlink("tp"); 
	return 0; 
} 

【例2】用命名管道实现client&server的通话
源文件名
在这里插入图片描述

服务端serverPipo.c

#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<unistd.h> 
#include<string.h> 
#include<fcntl.h> 
 
#define ERR_EXIT(m) \ 
		do { \ 
					perror(m); \ 
					exit(EXIT_FAILURE); \ 
		} while(0) 
		 
int main() 
{
    
		umask(0); 
		if(mkfifo("mypipe", 0644) < 0) 
		{
    
				ERR_EXIT("mkfifo error"); 
		} 
		int rfd = open("mypipe", O_RDONLY); 
		if(rfd < 0) 
		{
    
				ERR_EXIT("open mkfifo error"); 
		} 
		 
		char buf[1024]; 
		while(1){
    
				buf[0] = 0; 
				printf("Please wait ...\n"); 
				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("client quit, exit now!\n"); 
						exit(EXIT_SUCCESS); 
				}else{
    
						ERR_EXIT("read error"); 
				} 
		} 
		close(rfd); 
		return 0; 
}  

客户端clientPipo.c

#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<unistd.h> 
#include<fcntl.h> 
#include<string.h> 
 
#define ERR_EXIT(m) \ 
do{ \ 
			perror(m); \ 
			exit(EXIT_FAILURE); \ 
}while(0) 
 
int main() 
{
    
		int wfd = open("mypipe", O_WRONLY); 
		if(wfd < 0){
    
				ERR_EXIT("open"); 
		} 
		 
		char buf[1024]; 
		while(1){
    
				buf[0] = 0; 
				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 if(s <= 0){
    
						ERR_EXIT("read"); 
				} 
		} 
		close(wfd); 
		return 0; 
}				 

运行结果:
在这里插入图片描述


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