【在Linux世界中追寻伟大的One Piece】进程间通信

1 -> 进程间通信介绍

1.1 -> 进程间通信目的

1.2 -> 进程间通信发展

1.3 -> 进程间通信分类

1.3.1 -> 管道

1.3.2 -> System V IPC

1.3.3 -> POSIX IPC

2 -> 管道

2.1 -> 什么是管道

2.2 -> 匿名管道

2.3 -> 实例代码

2.4 -> 用fork来共享管道原理

2.5 -> 站在文件描述符角度——深度理解管道

2.6 -> 站在内核角度——管道本质

3 -> 管道读写规则

4 -> 管道特点

1 -> 进程间通信介绍

1.1 -> 进程间通信目的

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。

1.2 -> 进程间通信发展

管道
System V进程间通信
POSIX进程间通信

1.3 -> 进程间通信分类

1.3.1 -> 管道

匿名管道pipe
命名管道

1.3.2 -> System V IPC

System V消息队列
System V共享内存
System V信号量

1.3.3 -> POSIX IPC

消息队列
共享内存
信号量
互斥量
条件变量
读写锁

2 -> 管道

2.1 -> 什么是管道

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"。

2.2 -> 匿名管道

#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

2.3 -> 实例代码

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1//例子：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 <string.h>
#include <unistd.h>int main(void)
{int fds[2];char buf[100];int len;if (pipe(fds) == -1)perror("make pipe"), exit(1);// read from stdinwhile (fgets(buf, 100, stdin)) {len = strlen(buf);// write into pipeif (write(fds[1], buf, len) != len) {perror("write to pipe");break;}memset(buf, 0x00, sizeof(buf));// read from pipeif ((len = read(fds[0], buf, 100)) == -1) {perror("read from pipe");break;}// write to stdoutif (write(1, buf, len) != len) {perror("write to stdout");break;}}
}

2.4 -> 用fork来共享管道原理

2.5 -> 站在文件描述符角度——深度理解管道

2.6 -> 站在内核角度——管道本质

所以，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"Linux一切皆文件思想"。

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>#define ERR_EXIT(m) \ do \ { \ perror(m); \ exit(EXIT_FAILURE); \ } while(0)
int main(int argc, char* argv[]) 
{int pipefd[2]; if (pipe(pipefd) == -1) ERR_EXIT("pipe error");pid_t pid;pid = fork();if (pid == -1)ERR_EXIT("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;
}

例1. 在minishell中添加管道的实现：

# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
# include <unistd.h>
# include <string.h>
# include <fcntl.h># define MAX_CMD 1024char command[MAX_CMD];int do_face()
{memset(command, 0x00, MAX_CMD);printf("minishell$ ");fflush(stdout);if (scanf("%[^\n]%*c", command) == 0) {getchar();return -1;}return 0;
}char** do_parse(char* buff)
{int argc = 0;static char* argv[32];char* ptr = buff;while (*ptr != '\0') {if (!isspace(*ptr)) {argv[argc++] = ptr;while ((!isspace(*ptr)) && (*ptr) != '\0') {ptr++;}}else {while (isspace(*ptr)) {*ptr = '\0';ptr++;}}}argv[argc] = NULL;return argv;
}int do_redirect(char* buff)
{char* ptr = buff, * file = NULL;int type = 0, fd, redirect_type = -1;while (*ptr != '\0') {if (*ptr == '>') {*ptr++ = '\0';redirect_type++;if (*ptr == '>') {*ptr++ = '\0';redirect_type++;}while (isspace(*ptr)) {ptr++;}file = ptr;while ((!isspace(*ptr)) && *ptr != '\0') {ptr++;}*ptr = '\0';if (redirect_type == 0) {fd = open(file, O_CREAT | O_TRUNC | O_WRONLY, 0664);}else {fd = open(file, O_CREAT | O_APPEND | O_WRONLY, 0664);}dup2(fd, 1);}ptr++;}return 0;
}int do_command(char* buff)
{int pipe_num = 0, i;char* ptr = buff;int pipefd[32][2] = { {-1} };int pid = -1;pipe_command[pipe_num] = ptr;while (*ptr != '\0') {if (*ptr == '|') {pipe_num++;*ptr++ = '\0';pipe_command[pipe_num] = ptr;continue;}ptr++;}pipe_command[pipe_num + 1] = NULL;return pipe_num;
}int do_pipe(int pipe_num)
{int pid = 0, i;int pipefd[10][2] = { {0} };char** argv = { NULL };for (i = 0; i <= pipe_num; i++) {pipe(pipefd[i]);}for (i = 0; i <= pipe_num; i++) {pid = fork();if (pid == 0) {do_redirect(pipe_command[i]);argv = do_parse(pipe_command[i]);if (i != 0) {close(pipefd[i][1]);dup2(pipefd[i][0], 0);}if (i != pipe_num) {close(pipefd[i + 1][0]);dup2(pipefd[i + 1][1], 1);}execvp(argv[0], argv);}else {close(pipefd[i][0]);close(pipefd[i][1]);waitpid(pid, NULL, 0);}}return 0;
}int main(int argc, char* argv[])
{int num = 0;while (1) {if (do_face() < 0)continue;num = do_command(command);do_pipe(num);}return 0;
}

3 -> 管道读写规则

当没有数据可读时：
- 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。
- O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。
当管道满的时候：
- O_NONBLOCK disable： write调用阻塞，直到有进程读走数据。
- O_NONBLOCK enable：调用返回-1，errno值为EAGAIN。
如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0。
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。
当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。
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。