【Linux系统】理解管道通信，匿名管道实现进程池+命名管道实现服务端客户端通信模型（附源码）

Ne0inhk

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【Linux系统】理解管道通信，匿名管道实现进程池+命名管道实现服务端客户端通信模型（附源码）

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一、进程间通信是什么

进程间通信（IPC），顾名思义，进程之间需要进行信息交换。
如：数据传输、资源共享、通知事件、进程控制。

进程间通信的方式有：管道、System V IPC、POSIX IPC。

由于进程具有独立性，进程间通信的前提就是，不同的进程能看到同一份资源。

二、管道

1. 什么是管道

管道是类Unix系统中最古老的进程间通信的方式。我们把从一个进程连接到另一个进程的数据流称为一个“管道”。

在这里插入图片描述

管道是单向通信的，称为单工通信。

管道分为匿名管道和命名管道。

2. 匿名管道

匿名管道（pipe）是亲缘进程间单向通信机制，本质是内核管理的一份文件，两个进程通过一对文件描述符实现一端读一端写，随进程退出自动销毁。匿名管道只能用在有血缘关系的进程之间！

系统调用pipe，用于创建一个匿名管道。

在这里插入图片描述

参数是一个文件描述符数组，管道创建后， fd[0]表示读端，fd[1]表示写端。
成功创建返回0，失败则返回错误码。

在这里插入图片描述

匿名管道是一个纯内存级的文件，不需要打开磁盘文件，没有路径，所以称为匿名管道。匿名管道没有名字、没有文件实体，只靠文件描述符来传递。这就是为什么它只能用在有血缘的进程之间，因为这些进程能拷贝文件描述符表，才能拿到同一根管道的读写端。

匿名管道通信有以下几种情况：

  • 子进程写得慢，父进程就要阻塞等待。等到管道有数据，父进程才能读。
  • 子进程写得快，父进程不读，管道一旦写满，子进程必须阻塞了。
  • 读端一直读，写端关闭，读端读完管道中的数据时，read返回0，表明读到文件末尾。
  • 写端一直写，读端关闭，操作系统会杀掉写端进程，进程异常终止，终止信号为13！

管道还有以下特点：

  • 管道只能单向通信。如果想要两个进程间互相通信，需要创建两个管道。
  • 匿名管道只能用在有血缘关系的进程之间，因为必须继承文件描述符表。
  • 管道是面向字节流的。多次写入的字节流，在读取时可能被一次读取完，也可能被拆分成多次。
  • 管道的生命周期随进程。管道是内核中的临时对象，没有持久化到磁盘。当所有持有管道文件描述符的进程都关闭后，管道会被内核自动销毁，数据也随之丢失。
  • 管道通信，对于多进程，自带同步与互斥机制。读空管道时，读进程会阻塞等待数据；写满管道时，写进程会阻塞等待空间。

使用演示：

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<sys/types.h>#include<unistd.h>#include<sys/wait.h>intmain(){int pipefd[2]={0};if(pipe(pipefd)!=0){exit(1);}// 根据文件描述符分配规则，这里pipefd内容应该是3 4，3为读端，4为写端printf("pipefd[0]: %d, pipefd[1]: %d\n", pipefd[0], pipefd[1]);// 下面测试子进程向父进程通信pid_t id =fork();if(id ==0){// 子进程中，要向管道写，所以要关闭读端，也就是关闭文件描述符pipefd[0]close(pipefd[0]);char* msg ="hello pipe";int cnt =5;char outbuffer[256];while(cnt){snprintf(outbuffer,sizeof(outbuffer),"子->父# %s %d", msg, cnt--);// 向管道中写write(pipefd[1], outbuffer,strlen(outbuffer));sleep(1);}close(pipefd[1]);exit(0);}// 父进程中，要从管道读，所以要关闭写端，也就是关闭文件描述符pipefd[1]close(pipefd[1]);char inbuffer[1024];while(1){ inbuffer[0]=0;// 从管道中读ssize_t n =read(pipefd[0], inbuffer,sizeof(inbuffer)-1);// -1为了给\0预留一个位置，避免缓冲区溢出。if(n >0){ inbuffer[n]=0;// 管道也是文件，结尾不会自动加\0，需要手动设置printf("%s\n", inbuffer);}elseif(n ==0){printf("管道读取结束\n");close(pipefd[0]);break;}else{perror("read");break;}}pid_t rid =waitpid(id,NULL,0);return0;}
在这里插入图片描述

3. 命名管道

匿名管道只能用在有血缘关系的进程之间。
如果我们想用在不相关的进程之间通信，可以使用命名管道（FIFO）完成！
无关的进程之间想要通信，必须看到同一份资源，所以命名管道必须有路径（名字），双方才都能看到他。

命名管道本质是一种特殊类型的文件——管道文件。

命名管道可以从命令行上创建，使用命令mkfifo 文件名

也可以在程序中创建，使用函数mkfifo，第一个参数是文件名，第二个参数是文件权限。成功创建返回0，失败返回-1：

在这里插入图片描述

命名管道使用完需要我们手动删除，可以使用函数unlink删除文件的方式：

在这里插入图片描述

匿名管道由pipe函数创建并打开；命名管道由mkfifo函数创建，用open打开。它们的唯一区别在于创建与打开的方式不同，这些工作完成时候，它们具有相同的语义。

三、实例：匿名管道实现进程池

#include<cassert>#include<cstdio>#include<cstdlib>#include<ctime>#include<iostream>#include<string>#include<sys/types.h>#include<sys/wait.h>#include<unistd.h>#include<vector>// 进程池，是指提前创建好多个子进程，在需要使用时直接分配任务。省去了创建子进程的开销// 父进程需要管理“通道”，组织管理子进程enum{ OK =0, PIPE_ERR, FORK_ERR, READ_ERR, WRITE_ERR, WAIT_ERR };// 全局定义好子进程数量，任务数量constint gprocessnum =7;voidtask1(){ std::cout <<"这是下载数据任务"<< std::endl;}voidtask2(){ std::cout <<"这是打印日志任务"<< std::endl;}voidtask3(){ std::cout <<"这是刷新磁盘任务"<< std::endl;}voidtask4(){ std::cout <<"这是更新用户状态任务"<< std::endl;}typedefvoid(*task_t)();// 任务表constint gtasknum =4; task_t tasks[gtasknum]={task1, task2, task3, task4};classProcessPool{private:// 内部类维护子进程通道classChannel{private:int _wfd;// 当前子进程通道的管道写端fd pid_t _id;// 子进程id std::string channel_name;// 自定义通道的名字public:Channel(int wfd, pid_t id):_wfd(wfd),_id(id){ channel_name ="channel-"+ std::to_string(id);}voidClosePipe(){close(_wfd);}voidPrintInfo(){printf("管道wfd: %d, 通道名: %s\n", _wfd, channel_name.c_str());}intgetfd(){return _wfd;}constchar*getname(){return channel_name.c_str();}voidWait(){ pid_t rid =waitpid(_id,nullptr,0);if(rid <0){// wait出错exit(WAIT_ERR);} std::cout <<"回收子进程: "<< _id << std::endl;}};public:ProcessPool(){// 种下随机数种子srand(time(NULL));}// 初始化进程池，创建好若干个子进程通道voidInit(){CreateProcessChannels();}// 打印通道信息验证voidDebug(){for(auto& channel : channels){ channel.PrintInfo();}}// 随机分配任务执行voidRun(){int cnt =10;while(cnt--){int itask =SelectTask();int ichannel =SelectChannel();printf("向通道%s发送任务task%d...\n", channels[ichannel].getname(), itask +1);SendTask2Channel(itask, ichannel);sleep(1);}}voidQuit(){for(auto& channel : channels){ channel.ClosePipe(); channel.Wait();}}private:voidCreateProcessChannels(){for(int i =0; i < gprocessnum; i++){int pipefd[2]={0};int n =pipe(pipefd);if(n <0){// 管道创建出错exit(PIPE_ERR);} pid_t id =fork();if(id <0){// 子进程创建出错exit(FORK_ERR);}elseif(id ==0){// 子进程 read// 子进程的文件描述符表是拷贝父进程的。父进程fd表中有指向其他管道的wfd，子进程必须关闭指向其他管道的wfd！if(!channels.empty()){for(auto& channel : channels) channel.ClosePipe();}// 子进程从管道中读数据，关闭写端close(pipefd[1]);// 子进程进入待执行任务状态，将来执行完成后回来退出DoTask(pipefd[0]);exit(OK);}else{// 父进程 write// 关闭管道读端close(pipefd[0]); channels.emplace_back(pipefd[1], id);printf("创建子进程%d成功\n", id);}}}voidDoTask(int fd){// 子进程需要持续监听管道，等待父进程下发任务，直到父进程主动关闭管道写端。while(1){int task_code; ssize_t n =read(fd,&task_code,sizeof(task_code));if(n ==sizeof(task_code)){// 根据读取到的task_code从任务表中选择函数执行if(task_code >=0&& task_code < gtasknum){ tasks[task_code]();}}elseif(n ==0){// 读到了文件尾，说明管道写端关闭了printf("%d任务退出\n",getpid());break;}else{// read出错exit(READ_ERR);}}}intSelectTask(){// 随机选一个任务returnrand()% gtasknum;}intSelectChannel(){// 依次选择子进程staticint i =0;int selected = i; i++; i %= gprocessnum;return selected;}voidSendTask2Channel(int itask,int ichannel){assert(0<= itask && itask < gtasknum && ichannel >=0&& ichannel < gprocessnum); ssize_t n =write(channels[ichannel].getfd(),&itask,sizeof(itask));if(n <0){// write出错exit(WRITE_ERR);}}private:// 组织所有的子进程通道 std::vector<Channel> channels;};intmain(){ ProcessPool pp;// 初始化进程池，创建好若干个子进程通道 pp.Init();// 打印通道信息验证 pp.Debug();// 随机分配任务执行 pp.Run();// 释放管道，回收子进程 pp.Quit();return0;}

效果演示：

在这里插入图片描述

四、实例：命名管道实现服务端客户端通信模型

// Fifo.hpp#pragmaonce#include<cstdio>#include<cstring>#include<fcntl.h>#include<iostream>#include<string>#include<sys/stat.h>#include<sys/types.h>#include<unistd.h>#defineFORREAD1#defineFORWRITE2const std::string myfifo ="./fifo";classFifo{public:Fifo(const std::string& filename = myfifo):_filename(filename),_mode(0666),_fd(-1){}// 创建管道voidBuild(){// 如果管道文件已存在，就returnif(IsExist())return;int n =mkfifo(_filename.c_str(), _mode);if(n <0){ std::cerr <<"mkfifo error: "<<strerror(errno)<< std::endl;exit(1);} std::cout <<"mkfifo success"<< std::endl;}// 打开管道voidOpen(int mode){if(mode == FORREAD){ _fd =open(_filename.c_str(), O_RDONLY);}elseif(mode == FORWRITE){ _fd =open(_filename.c_str(), O_WRONLY);}if(_fd <0){ std::cerr <<"open error: "<<strerror(errno)<< std::endl;exit(2);} std::cout <<"open success"<< std::endl;}// 删除管道voidDelete(){if(!IsExist()){return;}int n =unlink(_filename.c_str());if(n <0){ std::cerr <<"delete error: "<<strerror(errno)<< std::endl;exit(3);} std::cout <<"delete success"<< std::endl;}// 发送消息voidSend(std::string& msgin){ ssize_t n =write(_fd, msgin.c_str(), msgin.size());}// 接受消息intReceive(std::string& msgout){char buffer[128]; ssize_t n =read(_fd, buffer,sizeof(buffer)-1);if(n >0){ buffer[n]='\0'; msgout = buffer;return n;}elseif(n ==0){return0;}else{return-1;}}private:boolIsExist(){structstat st;// stat函数用于查询一个文件的属性，如果查到了返回0// 利用这一点判断管道文件是否存在int n =stat(_filename.c_str(),&st);if(n ==0){returntrue;}else{ errno =0;// 消除这次失败对后面代码的影响returnfalse;}}private: std::string _filename; mode_t _mode;int _fd;};
// Server.cc#include"Fifo.hpp"intmain(){// 服务端 创建并打开管道 Fifo pipefile; pipefile.Build(); pipefile.Open(FORREAD); std::string msg;while(1){int n = pipefile.Receive(msg);if(n >0){ std::cout <<"客户端说: "<< msg << std::endl;}else{break;}} pipefile.Delete();return0;}
// Client.cc#include"Fifo.hpp"intmain(){// 客户端 写入信息 Fifo fileclient; fileclient.Open(FORWRITE);while(1){ std::cout <<"请输入:"<< std::endl; std::string msg; std::getline(std::cin, msg); fileclient.Send(msg);}return0;}

效果演示：

命名管道实现服务端客户端通信演示

本篇完，感谢阅读

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