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Linux 进程间通信——管道

news 2024/11/2 4:40:41

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0.前言

1. 进程间通信简介

1.1 进程间通信目的

1.2 进程间通信分类

2.匿名管道

2.1什么是管道

2.2一段匿名管道的示例代码

2.3代码解读

2.4 匿名管道运行时的四种情况

2.5 匿名管道的特性

2.6 从文件描述符和内核角度理解管道

3.命名管道

3.1命名管道的原理

3.2命名管道的应用

3.3命名管道与匿名管道的区别

4.小结

（图像由AI生成）

0.前言

在Linux中，进程间通信（IPC, Inter-Process Communication）是一项非常重要的技术，允许不同的进程共享数据、协调工作。IPC方式多种多样，包括管道、消息队列、共享内存、信号等。本篇博客将从基础的管道（Pipe）入手，介绍进程间通信中的重要概念和实现方式。本文主要涵盖匿名管道和命名管道的基本原理、实现及特性。

1. 进程间通信简介

1.1 进程间通信目的

在操作系统中，每个进程通常拥有独立的内存空间，相互之间无法直接访问。然而在实际开发中，多个进程之间经常需要交换数据或协调工作。进程间通信正是为了实现这种数据共享和同步而存在的，典型的应用场景包括：

数据传输：在不同进程间传输数据，例如客户端与服务器之间的通信。
资源共享：让多个进程访问同一资源，如共享内存。
事件通知：通知其他进程发生了某种事件，例如文件变化。
进程控制：允许一个进程影响另一个进程的执行。

1.2 进程间通信分类

Linux中常见的进程间通信方式主要包括：

管道（Pipe）：分为匿名管道和命名管道，用于单向或双向的进程间通信。
消息队列（Message Queue）：允许进程之间通过消息队列交换数据。
共享内存（Shared Memory）：多个进程可以共享一个内存段，实现高效的数据共享。
信号（Signal）：用于通知进程某个事件的发生。
套接字（Socket）：支持网络间或本地进程间通信，适用于分布式系统。

本篇主要介绍管道通信，包括匿名管道和命名管道。

2.匿名管道

2.1什么是管道

管道（Pipe）是一种经典的进程间通信（IPC）方式，在Linux系统中尤其常用。管道可以在父子进程之间建立单向的数据流通道，实现数据从一端流向另一端。匿名管道属于无名管道（Unamed Pipe），只存在于内存中，没有在文件系统中创建名字，因此只能用于具有亲缘关系的进程之间，比如父子进程或兄弟进程。

在匿名管道中，数据只能单向传输：一端写入数据（写入端），另一端读取数据（读取端）。匿名管道的创建和操作依赖于系统调用，例如 pipe()、fork()、read() 和 write() 等。

2.2一段匿名管道的示例代码

下面是一段使用匿名管道的示例代码，演示了父进程和子进程之间的数据传输。

#include <iostream>
#include <unistd.h>      // 包含 pipe, fork, read, write, close 等系统调用
#include <sys/types.h>   // 包含数据类型 pid_t
#include <sys/wait.h>    // 包含 wait 函数
#include <cstring>       // 包含 strlen 函数
#include <string>using namespace std;int main()
{int pipefd[2]; // 创建一个数组，用于存储管道的两个文件描述符// pipefd[0] 是读端，pipefd[1] 是写端// 创建管道，成功返回 0，失败返回 -1if (pipe(pipefd) == -1){perror("pipe");  // 输出错误信息return 1;        // 返回非零值表示错误}// 使用 fork 创建子进程pid_t pid = fork();if (pid == -1){perror("fork");  // 输出错误信息return 2;        // 返回非零值表示错误}else if (pid == 0) // 子进程{// 关闭子进程中的写端，因为子进程只需要从管道读取数据close(pipefd[1]);// 读取数据char buffer[128]; // 用于存储从管道读取的数据ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1); // 从管道读取数据，返回读取的字节数if (s > 0){buffer[s] = '\0'; // 确保字符串以 '\0' 结尾cout << "child process read data: " << buffer << endl; // 输出从父进程读取到的数据}else{perror("read"); // 如果读取失败，输出错误信息}// 关闭读端，因为子进程的读取操作已经完成close(pipefd[0]);}else // 父进程{// 关闭父进程中的读端，因为父进程只需要向管道写入数据close(pipefd[0]);// 写入数据const char* str = "i am father"; // 要写入的数据write(pipefd[1], str, strlen(str) + 1); // 向管道的写端写入数据，包含字符串结束符 '\0'// 关闭写端，因为父进程的写入操作已经完成close(pipefd[1]);// 等待子进程结束，防止产生僵尸进程wait(nullptr);}return 0; // 程序结束
}

代码的运行结果如下：

2.3代码解读

这段代码中，父进程通过匿名管道向子进程发送字符串数据。以下是代码中关于管道的主要接口和执行流程的详细介绍：

pipe()：用于创建匿名管道。pipe() 函数接收一个包含两个整数的数组 pipefd，用于存储管道的两个文件描述符：
- pipefd[0]：管道的读取端（read end）。
- pipefd[1]：管道的写入端（write end）。如果 pipe() 调用成功，返回值为0；如果失败，返回 -1 并设置 errno。
```
int pipefd[2];
if (pipe(pipefd) == -1) {perror("pipe");return 1;
}
```
fork()：用于创建子进程。fork() 函数在调用时会创建一个新的进程（子进程）。父进程会接收到子进程的PID，而子进程则会接收到0。根据 fork() 的返回值，我们可以判断当前进程是父进程还是子进程：
- 返回 -1：表示 fork 失败。
- 返回 0：表示当前为子进程。
- 返回其他值（子进程的PID）：表示当前为父进程。
```
pid_t pid = fork();
if (pid == -1) {perror("fork");return 2;
}
```
close()：用于关闭文件描述符。在匿名管道的使用中，通常需要关闭未使用的管道端口，以避免不必要的资源占用。在子进程中关闭写入端（pipefd[1]），在父进程中关闭读取端（pipefd[0]）。
```
// 子进程中关闭写入端
close(pipefd[1]);// 父进程中关闭读取端
close(pipefd[0]);
```
write()：用于向管道的写入端写入数据。在父进程中，通过 write(pipefd[1], str, strlen(str) + 1); 向管道写入字符串。write() 函数会将数据写入到 pipefd[1] 的缓冲区中，等待子进程读取。
```
const char* str = "i am father";
write(pipefd[1], str, strlen(str) + 1);
```
read()：用于从管道的读取端读取数据。在子进程中，通过 read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1); 从管道读取数据。读取的数据会存储在 buffer 缓冲区中，并加上字符串结束符 \0，以便后续输出。
```
char buffer[128];
ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
if (s > 0) {buffer[s] = '\0';cout << "child process read data: " << buffer << endl;
}
```
wait()：用于等待子进程结束。在父进程中，通过调用 wait(nullptr);，父进程会等待子进程的结束，以避免僵尸进程的产生。
```
wait(nullptr);
```

2.4 匿名管道运行时的四种情况

在匿名管道的使用过程中，进程的读写操作会受到管道状态的影响，可能出现以下四种典型的运行情况：

写端正常，读端正常，写端没有写入数据（read 阻塞）：
- 当读端尝试读取数据时，如果管道中没有可读的数据且写端仍然正常打开，则 read 操作会阻塞（在默认阻塞模式下）。
- 这种阻塞状态会持续到写端写入数据，读端才能读取数据并继续执行。
- 阻塞机制确保了数据的一致性，避免读端在没有数据时返回无效内容。
写端正常，读端正常，但管道已满（write 阻塞）：
- 当写端尝试写入数据时，如果管道缓冲区已满且读端仍然正常打开，write 操作会阻塞。
- 这种阻塞状态会持续到读端从缓冲区中读取数据，释放空间后，写端才能继续写入。
- 这种机制避免了数据覆盖，确保管道的数据完整性。
写端关闭，读端正常：
- 当写端关闭后，读端继续尝试读取数据。
- 如果管道中还有未读取的数据，read 会继续读取剩余数据。
- 当所有数据都被读取完时，read 会返回 0，表示写端已关闭且没有更多数据。这种返回值可以让读端知道写端已结束写入。
写端正常，读端关闭：
- 当读端关闭后，写端尝试向管道中写入数据。
- 因为读端已关闭，写操作会触发 SIGPIPE 信号，导致写进程异常终止（默认行为）。
- 为了避免这种情况，程序可以捕获 SIGPIPE 信号，或在写操作返回错误时检查并处理，避免直接写入数据。

2.5 匿名管道的特性

匿名管道具备以下特性：

单向通信：
- 匿名管道是单向的，即数据只能从写端流向读端。
- 如果需要双向通信，通常需要创建两个管道（一个用于发送，另一个用于接收）。
只能在亲缘关系进程间通信：
- 匿名管道的生命周期受限于创建它的进程，通常只能在父子进程或兄弟进程之间通信。
- 这是因为匿名管道不在文件系统中存在，不能被不相关的进程访问。
自动阻塞机制：
- 当写端未写入数据时，read() 会阻塞等待数据写入。
- 当管道已满，write() 操作也会阻塞，直到读端读取数据为止。
- 阻塞机制使得管道的读写操作可以更安全地进行同步。
缓冲区限制：
- 管道的缓冲区由操作系统内核管理，通常有一定的大小限制（典型为4KB或64KB，视系统配置而定）。
- 如果缓冲区满了，write() 操作会阻塞，直到有空间释放。
生命周期管理：
- 管道的文件描述符由操作系统内核管理。
- 当所有指向管道的文件描述符都被关闭后，管道会被自动销毁，系统释放其所占用的资源。

这些特性使得匿名管道在父子进程间的简单数据传输中非常高效，但在进程无关、双向通信或大数据传输时，匿名管道的局限性会显现。

2.6 从文件描述符和内核角度理解管道

在Linux系统中，管道实际上是由操作系统内核创建和管理的缓冲区，读端和写端分别通过文件描述符访问这个缓冲区。理解文件描述符和内核的作用有助于深入了解管道的工作机制：

文件描述符：
- 每个管道创建后会生成两个文件描述符：一个用于读（pipefd[0]），一个用于写（pipefd[1]）。
- 文件描述符是对内核对象的引用，进程通过文件描述符来访问管道缓冲区。
- 关闭某一端的文件描述符会影响管道的行为，比如关闭写端会导致读端 read() 返回0，表示写端已关闭。
内核缓冲区：
- 管道的实际数据存储在内核缓冲区中，缓冲区的大小有限（通常是4KB或64KB）。
- 当数据写入管道时，它会被写入到内核缓冲区；读端从缓冲区读取数据。
- 当缓冲区满时，写操作会阻塞，直到缓冲区有空间释放；当缓冲区为空时，读操作会阻塞，直到有数据写入。
引用计数：
- 内核通过引用计数管理管道的生命周期。当管道的文件描述符被打开时，引用计数增加；当文件描述符被关闭时，引用计数减少。
- 当所有指向管道的文件描述符都被关闭后（即引用计数为0），内核会自动释放管道的缓冲区和相关资源。
阻塞与非阻塞：
- 默认情况下，管道操作是阻塞的。如果一个进程试图读取空管道，它会被阻塞，直到有数据写入。
- 进程也可以将文件描述符设置为非阻塞模式。在非阻塞模式下，如果读操作遇到空管道或写操作遇到满管道，操作会立即返回错误，而不会阻塞进程。
内核级同步：
- 管道的读写操作是原子的，这意味着当多个进程对同一个管道进行读写时，内核会保证数据的一致性。
- 内核提供的同步机制保证了在并发访问时，不会出现数据混乱的情况。

3.命名管道

3.1命名管道的原理

命名管道（Named Pipe），又称为FIFO（First In First Out），是一种支持进程间通信的特殊文件类型。与匿名管道不同的是，命名管道有一个在文件系统中可见的名字，可以在没有亲缘关系的进程之间使用。

命名管道使用文件系统中的一个特殊文件来实现进程间的通信。该文件可以通过 mkfifo() 系统调用或 mknod 命令创建。由于命名管道是文件系统中的实体文件，所以具有以下特点：

持久性：命名管道在文件系统中存在，文件一旦创建便可被多个进程访问，即使创建管道的进程终止，命名管道文件也依然存在，直到显式删除。
进程间通信的灵活性：命名管道允许没有亲缘关系的进程之间进行通信。只要进程能够访问文件系统中指定的管道文件路径，就可以通过这个文件进行读写操作。
单向通信或双向通信：默认情况下，命名管道仍然是单向通信的。要实现双向通信，可以创建两个命名管道（一个用于发送，一个用于接收）。

3.2命名管道的应用

命名管道通常用于在没有亲缘关系的进程之间传输数据。以下是命名管道的一个应用示例，其中一个进程向命名管道写入数据，另一个进程从命名管道读取数据。

示例代码

Step 1：创建命名管道并写入数据（writer.cpp）

#include <iostream>
#include <fcntl.h>    // 包含 O_WRONLY
#include <sys/stat.h> // 包含 mkfifo
#include <unistd.h>   // 包含 write, close
#include <cstring>    // 包含 strlen
using namespace std;int main() {const char* fifoPath = "./myfifo"; // 命名管道文件路径// 创建命名管道，权限为 0666 (rw-rw-rw-)if (mkfifo(fifoPath, 0666) == -1) {perror("mkfifo");return 1;}// 打开命名管道的写端int fd = open(fifoPath, O_WRONLY);if (fd == -1) {perror("open");return 2;}// 写入数据const char* message = "Hello from writer!";write(fd, message, strlen(message) + 1); // 写入带字符串结束符的数据cout << "Writer: Sent message to reader." << endl;// 关闭写端close(fd);return 0;
}

Step 2：读取命名管道中的数据（reader.cpp）

#include <iostream>
#include <fcntl.h>    // 包含 O_RDONLY
#include <unistd.h>   // 包含 read, close
using namespace std;int main() {const char* fifoPath = "./myfifo"; // 命名管道文件路径// 打开命名管道的读端int fd = open(fifoPath, O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open");return 1;}// 读取数据char buffer[128];ssize_t bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (bytesRead > 0) {buffer[bytesRead] = '\0'; // 确保字符串以 '\0' 结尾cout << "Reader: Received message - " << buffer << endl;} else {perror("read");}// 关闭读端close(fd);// 删除命名管道文件unlink(fifoPath);return 0;
}

代码分析

创建命名管道：mkfifo(fifoPath, 0666); 创建一个命名管道，权限为 0666（所有用户可读写）。管道文件路径指定为 ./myfifo，这是一个临时文件路径。如果命名管道文件已存在，mkfifo() 会返回错误。
打开命名管道：open(fifoPath, O_WRONLY); 用于以只写模式打开命名管道的写端（在 writer.cpp 中），而 open(fifoPath, O_RDONLY); 用于以只读模式打开命名管道的读端（在 reader.cpp 中）。打开文件后会返回一个文件描述符 fd，用于后续的 write 或 read 操作。
写入数据：write(fd, message, strlen(message) + 1); 将消息写入命名管道的写端。注意，这里写入了字符串结束符，以便读取端能够识别字符串的结尾。
读取数据：read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1); 从命名管道的读端读取数据。读取到的数据会存储在 buffer 中，并加上字符串结束符 \0 以确保输出时数据完整。
删除命名管道文件：unlink(fifoPath); 用于删除命名管道文件。通常由读进程执行，以确保管道文件在通信完成后被清理。

在此示例中，writer.cpp 会向 myfifo 写入一条消息，reader.cpp 则会从 myfifo 中读取该消息并输出。输出如下：

3.3命名管道与匿名管道的区别

特性	匿名管道	命名管道
是否命名	无命名，仅存在于内存中	有名称，存储在文件系统中
适用进程	仅限于父子进程或兄弟进程之间	任何进程之间（只需访问管道路径）
创建方式	`pipe()` 系统调用	`mkfifo()` 系统调用或 `mknod` 命令
通信方向	默认单向（可通过双管道实现双向）	默认单向（可通过双管道实现双向）
文件系统中	不可见	可见，文件存在于文件系统中
生命周期	进程结束或管道关闭后自动销毁	文件存在，需显式删除
阻塞机制	默认阻塞，满足管道条件时解除	默认阻塞，满足管道条件时解除

总而言之：

命名：匿名管道无名称，存在于内存中，需进程关系；命名管道有路径名，存在于文件系统中。
适用进程：匿名管道仅适合父子进程间通信，命名管道则能用于任意进程之间的通信。
生命周期：匿名管道的生命周期与进程一致，命名管道在文件系统中需手动删除。
阻塞机制：匿名和命名管道在通信时均遵循阻塞机制，确保数据的完整性和通信的同步性。

4.小结

本篇博客主要介绍了Linux中进程间通信的一种基础方式——管道，包括匿名管道和命名管道的基本原理、特性及代码实现。匿名管道适用于父子进程间的单向通信，而命名管道则可以用于任何没有亲缘关系的进程间通信。理解管道的特性和使用方法，是掌握Linux进程间通信的关键步骤。在接下来的内容中，我们将继续深入其他进程间通信方式的实现与应用。

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