Linux进程间通信（IPC）机制之一：管道（Pipes）详解

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

以下是一些主要的进程间通信方式：

管道（Pipes）：包括无名管道和命名管道。无名管道是半双工的，数据只能单向流动，通常用于有亲缘关系的进程间通信，如父子进程之间。命名管道则允许无亲缘关系的进程间通信。

消息队列（Message Queues）：消息队列是由消息的链表组成，存放在内核中并由消息队列标识符标识。它允许进程之间发送格式化的消息。

信号量（Semaphores）：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问，实现进程间的同步。

共享内存（Shared Memory）：共享内存允许多个进程访问同一块内存区域，从而快速地共享数据。

套接字（Sockets）：套接字支持不同主机上的两个进程进行通信，常用于网络编程中。它实际上不仅用于不同的主机进程间通信，还可以用于本地主机进程间通信。

什么是管道？

        管道是一种在Linux中用于进程间通信的机制，它可以将一个进程的输出作为另一个进程的输入。

        管道的概念来源于日常生活中的水管，就像水管可以将水从一个地方输送到另一个地方一样，管道在Linux系统中用于传递数据流。具体来说，管道可以分为两类：

无名管道（匿名管道）：这是最初UNIX系统中使用的管道形式，通常用于有亲缘关系的进程间通信，如父子进程。无名管道是通过系统调用pipe()创建的，并且它们是半双工的，意味着数据只能在一个方向上流动。

命名管道（也称为FIFO）：与无名管道不同，命名管道可以在不相关的进程之间进行通信。它们通过文件系统创建，并具有路径名，因此可以被任何知道该路径名的进程访问。

        管道的大小是固定的，并且在创建时就已经确定。在Linux中，管道的大小是可以调整的，但是这通常需要重新编译内核或使用特定的系统调用来改变。

        总结：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”。

管道详解

匿名管道

通常一个进程管理文件是通过PCB控制对应的struct files_struct 结构体，然后在struct files_struct 结构体中会存在一个struct files *fd_array[]存放着该进程打开文件的struct files，接着再通过对应的struct files指向对应的缓冲区等等，大致过程如下：

而当我们通过fork()创建子进程后，新创建的子进程会根据父进程的模板拷贝相关的内核数据结构，其中会经过类似“浅拷贝”的过程，使得子进程会指向内存中已经存在的且被父进程指向的文件，这就创建了两个进程指向同一份文件的效果。

而实际上，我们的同一个进程如果要对一个文件进行读写，一个struct file是不够的，这是因为我们在读或者写的位置可能是不同的，我们需要控制对应的读写，其中会包含对应的变量来保存读或者写的位置。因此是需要创建两个对应的 struct file来控制读写，只不过他们会指向同一个inode、同一个方法集、同一个缓冲区。你也会发现，当父子进程对屏幕用printf打印时，可能会出现数据错乱的情况，这是因为子进程发生了“浅拷贝”，双方的printf都是打印到同一个文件。那么当我们对一个文件进行读写，并且创建子进程的时候，子进程与父进程都会通过同样的两个 struct file指向同一个文件，当我们将他们间一个的读 struct file关闭，另一个的写 struct file关闭，这不就形成了一个进程连接到另一个进程的一个数据流吗？这就是管道的原理。当然， struct file中会有一个类似“引用计数”的功能来控制是否关闭对应的struct file。如下图：

匿名管道的创建

对此，理解了上面的过程后，我们继续理解接下来的创建管道的操作，系统中提供了对应的接口：

#include <unistd.h>
功能:创建一无名管道
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，失败返回错误代码

结合上面的知识，以父子进程间管道通信为例子，详细的创建过程如下：

我们通过fork()后，子进程会拷贝和父进程的内核数据结构，那么所有的子进程实际上的内核数据结构实际上都是差不多的。既然我们可以进行父子进程间的管道通信，我们当然也可以进行子与子之间、子与孙、父与孙之间的管道通信！如下为一个使用管道让父子进程间通信的例子：

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>

#define MAX 1024

using namespace std;

int main()
{
    // 第1步，建立管道
    int pipefd[2]={0};
    int n=pipe(pipefd);
    assert(n==0);
    (void)n; // 防止编译器告警，意料之中，用assert，意料之外，用if

    // 第2步，创建子进程
    pid_t id=fork();
    if(id<0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    // 子写，父读
    // 第3步，父子关闭不需要的fd，形成单向通信的管道
    if (id == 0)
    {
        //子关读
        close(pipefd[0]);
        int cnt = 0;
        while(true)
            {
                //利用write写
                char message[MAX];
                snprintf(message, sizeof(message), "hello father, I am child, pid: %d, cnt: %d", getpid(), cnt);
                cnt++;
                write(pipefd[1], message, strlen(message));
                sleep(1);
            }

        cout << "child close w piont" << endl;
        exit(0);
    }

    // 父进程，关闭写
    close(pipefd[1]);
    char buffer[MAX];
    while(true)
        {
            // sleep(2000);
            ssize_t n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer)-1);
            if(n > 0)
            {
                buffer[n] = 0; // '', 当做字符串
                cout << getpid() << ", " << "child say: " << buffer << " to me!" << endl;
            }
            else if(n == 0)
            {
                cout << "child quit, me too !" << endl;
                break;
            }
            cout << "father return val(n): " << n << endl;
            sleep(1);

        }
    cout << "read point close"<< endl;
    close(pipefd[0]);

    return 0;
}

匿名管道的特性与情况

// a. 管道的4种情况
//    1. 正常情况，如果管道没有数据了，读端必须等待，直到有数据为止(写端写入数据了)
//    2. 正常情况，如果管道被写满了，写端必须等待，直到有空间为止(读端读走数据)
//    3. 写端关闭，读端一直读取, 读端会读到read返回值为0， 表示读到文件结尾
//    4. 读端关闭，写端一直写入，OS会直接杀掉写端进程，通过想目标进程发送SIGPIPE(13)信号，终止目标进程 
// b. 管道的5种特性
//    1. 匿名管道,可以允许具有血缘关系的进程之间进行进程间通信，常用与父子,仅限于此
//    2. 匿名管道，默认给读写端要提供同步机制 --- 了解现象就行
//    3. 面向字节流的 --- 了解现象就行
//    4. 管道的生命周期是随进程的
//    5. 管道是单向通信的，半双工通信的一种特殊情况

命名管道

通过前面的知识点，我们知道匿名管道可以让有“血缘关系”的进程进行通信，那如果我们要让没有血缘关系、毫不相干的进程进行通信呢？这个时候就需要使用到命名管道了。对于命名管道，我们可以使用指令来创建，也可以使用代码来创建。下面分别介绍两种方式：

指令级

系统中的指令手册如下：

如上图所示，我们通过命名管道让两个毫不相干的进程进行了通信。需要注意的是：我们创建的命名管道虽然是一个文件，他是存在在磁盘上的。但是，他是没有大小的！

进程间相互通信的本质实际上是让不同的进程看到同一份资源，而命名管道的原理则是：因为路径是具有唯一性的，那么我们可以使用路径加文件名，来唯一的让不同的进程看到同一份资源。当我们让不同的进程看到了同一份资源，对应的进程struct file就会向匿名管道一样指向该文件的方法集、缓冲区等等，但是文件是不会对于缓冲区进行刷盘操作的，因为磁盘中并没有存储信息。大致的图示如下：

代码级

手册如下：

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

参数说明：

pathname：指定要创建的FIFO文件的路径名。

mode：设置新创建的FIFO文件的权限模式，默认是0666。

返回值：

成功时返回0，失败时返回-1，并设置errno以指示错误类型。

使用场景：

当需要在进程间传递数据时，可以使用mkfifo创建命名管道，然后通过读写该管道来实现通信。

命名管道可以用于不同进程、不同主机甚至不同操作系统之间的通信。

注意事项：

在创建命名管道之前，需要确保路径中的目录已经存在，否则可能需要先创建这些目录。

在使用命名管道进行通信时，需要注意同步和互斥的问题，以避免数据的混乱和竞争条件。

由于命名管道存在于文件系统中，因此也需要考虑文件系统的权限和安全性问题。

🌰

server.cc

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define FILENAME "fifo"

bool MakeFifo()
{
    int n = mkfifo(FILENAME, 0666);
    if(n < 0)
    {
        std::cerr << "errno: " << errno << ", errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
        return false;
    }

    std::cout << "mkfifo success... read" << std::endl;
    return true;
}

int main()
{
Start:
    int rfd = open(FILENAME, O_RDONLY);
    if(rfd < 0)
    {
        std::cerr << "errno: " << errno << ", errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
        if(MakeFifo()) goto Start;
        else return 1;
    }
    std::cout << "open fifo success..." << std::endl;

    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        ssize_t s = read(rfd, buffer, sizeof(buffer)-1);
        if(s > 0)
        {
            buffer[s] = 0;
            std::cout << "Client say# " << buffer << std::endl;
        }
        else if(s == 0)
        {
            std::cout << "client quit, server quit too!" << std::endl;
            break;
        }
    }

    close(rfd);
    std::cout << "close fifo success..." << std::endl;

    return 0;
}

client.cc

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define FILENAME "fifo"

int main()
{
    int wfd = open(FILENAME, O_WRONLY);
    if (wfd < 0)
    {
        std::cerr << "errno: " << errno << ", errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
        return 1;
    }
    std::cout << "open fifo success... write" << std::endl;

    std::string message;
    while (true)
    {
        std::cout << "Please Enter# ";
        std::getline(std::cin, message);

        ssize_t s = write(wfd, message.c_str(), message.size());
        if (s < 0)
        {
            std::cerr << "errno: " << errno << ", errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
            break;
        }
    }

    close(wfd);
    std::cout << "close fifo success..." << std::endl;

    return 0;
}

Makefile

.PHONY:all
all:server client

server:server.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
client:client.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:
	rm -f server client fifo