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进程间通信（管道）

news 2024/10/28 4:05:06

进程间通信博客整理

进程间通信的重要性

在操作系统中，进程是资源分配和调度的基本单位。每个进程都拥有自己独立的地址空间和资源，这使得进程之间不能直接访问彼此的内存或资源。然而，在实际应用中，不同进程之间往往需要进行数据交换或协作，这就是进程间通信（Inter-Process Communication, IPC）的重要性所在。

进程间通信的方式

环境变量

环境变量是一种简单的进程间通信方式，但它只适用于显式拷贝的情况，并不能实现真正的进程间动态通信。

公共资源

为了实现进程间的通信，操作系统可以创建一些公共资源，如共享内存、消息队列、管道等，供不同进程使用。

本地通信

在同一台主机、同一操作系统下，不同进程之间的通信称为本地通信。System V通信标准是其中的一种通信标准。

进程间通信分类

管道：通过文件在内存中的共享来实现通信。
共享内存：允许多个进程访问同一块内存区域。
消息队列：以消息为单位进行通信。
信号量：用于控制进程对共享资源的访问。
套接字：用于网络通信，但也可以用于本地进程间通信。

管道通信

管道是一种古老而经典的进程间通信方式。

原理：当子进程和父进程包含同一文件时，此文件在内存中只有一份副本。父子进程通过该文件进行通信。虽然父子进程的struct file结构体是独立的（读写位置不同），但内存中的inode和内核级缓冲区是共享的。
特点：管道通信文件是内存级的，不需要刷新到磁盘。这种管道没有名字，也称为匿名管道。
限制：管道只能单向通信。为了实现双向通信，需要创建两个管道。

管道的四现象

管道为空且管道正常：此时，读操作会阻塞，直到有数据写入管道。
管道为满且管道正常：此时，写操作会阻塞，直到有数据从管道中读出。
写端关闭且读端继续：此时，读操作会读到文件结束符（EOF），表示管道已空。
写端继续且读端关闭：此时，操作系统会向写入进程发送信号（如SIGPIPE，信号编号13），通常导致写入进程异常终止。

匿名管道的特性

管道内容大小有上限：通常为65536字节（或称为64KB）。
生命周期：管道的生存周期与创建它的进程相关。当所有使用管道的进程都终止时，管道也会被销毁。
单向性：如上所述，匿名管道只能单向通信。为了实现双向通信，需要创建两个管道或使用其他通信方式。

代码示例

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>// Fater process -> read
// Child process -> write
int main()
{// 1. 创建管道int fds[2] = {0};int n = pipe(fds); // fds:输出型参数if (n != 0){std::cerr << "pipe error" << std::endl;return 1;}// Fater process -> read// Child process -> write// 2. 创建子进程pid_t id = fork();if (id < 0){std::cerr << "fork error" << std::endl;return 2;}else if (id == 0){// 子进程// 3. 关闭不需要的fd,关闭readclose(fds[0]);int cnt = 0;int total = 0;while (true){std::string message = "h";// message += std::to_string(getpid());// message += ", ";// message += std::to_string(cnt);// fds[1]total += ::write(fds[1], message.c_str(), message.size());cnt++;std::cout << "total: " << total << std::endl;sleep(2);// break;}exit(0);}else{// 父进程// 3. 关闭不需要的fd，关闭writeclose(fds[1]);char buffer[1024];while (true){sleep(1);ssize_t n = ::read(fds[0], buffer, 1024);if (n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << "child->father, message: " << buffer << std::endl;}else if(n == 0) {// 如果写端关闭// 读端读完管道内部的数据，在读取的时候，// 就会读取到返回值0，表示对端关闭，也表示读到文件结尾std::cout << "n:" << n << std::endl;std::cout << "child quit ??? me too" << std::endl;break;}close(fds[0]);break;std::cout << std::endl;}int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);std::cout << "father wait child success: " << rid << " exit code: " <<((status<<8)&0xFF) << ", exit sig: " << (status & 0x7F) << std::endl;}return 0;
}