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1.了解进程通信
1.1进程为什么要通信
1.2 进程如何通信
1.3进程间通信的方式 2.管道
2.1管道的初步理解
2.2站在文件描述符的角度-进一步理解管道
2.3 管道的系统调用接口#xff08;匿名管道#xff09;
2.3.1介绍接口函数#xff1a;
2.3.2编写一个管道的代…目录
1.了解进程通信
1.1进程为什么要通信
1.2 进程如何通信
1.3进程间通信的方式 2.管道
2.1管道的初步理解
2.2站在文件描述符的角度-进一步理解管道
2.3 管道的系统调用接口匿名管道
2.3.1介绍接口函数
2.3.2编写一个管道的代码 1.了解进程通信 1.1进程为什么要通信 以下是进程间通信的几个主要原因 数据共享与协作 当多个进程需要共同访问或修改同一份数据时它们需要通过某种方式进行通信以确保数据的一致性和完整性。进程间通信允许进程协同工作共同完成任务。例如一个进程负责数据收集而另一个进程负责数据处理和存储。系统效率 进程间通信可以减少不必要的数据复制和重复计算提高系统效率。通过共享内存或消息传递等方式进程可以直接访问所需的数据或资源而无需经过额外的拷贝或转换。模块化与解耦 在软件设计中模块化是一个重要的原则。通过将不同的功能划分为独立的进程可以提高代码的可维护性和可重用性。进程间通信是实现模块化设计的重要手段之一。通过定义明确的通信接口和协议不同的进程可以独立地开发和测试然后再通过通信接口进行集成。并发与并行 并发和并行是现代操作系统和计算机架构的重要特性。它们允许多个进程同时运行以提高系统的吞吐量和响应速度。进程间通信是实现并发和并行编程的关键技术之一。通过适当的通信机制不同的进程可以协调彼此的工作确保并发和并行操作的正确性和高效性。分布式系统与网络应用 在分布式系统和网络应用中不同的进程可能位于不同的计算机或设备上。它们需要通过网络进行通信以交换数据、共享资源和协调操作。进程间通信是分布式系统和网络应用中的核心技术之一。它允许不同的进程在物理上分离的情况下仍然能够相互协作和通信。操作系统与内核功能 操作系统和内核提供了许多基本的服务和功能如文件系统、设备驱动、进程调度等。这些服务和功能通常需要由多个进程共同协作完成。进程间通信允许操作系统和内核中的不同进程之间进行通信和协作以实现更高级别的功能和服务。 1.2 进程如何通信 进程间通信的前提先让不同的进程看到同一份由操作系统提供的资源“一段内存”。 假如进程A要和进程B进行通信肯定不能让B直接访问到A进程中的资源这就不符合进程具有独立性的概念了。那么这时候就只能借助操作系统的帮助了。当进程A需要与进程B进行通信的时候操作系统需要确保进程间通信的安全性和隔离性OS会创建一个共享资源满足进程间资源的读写。OS提供了很多的系统调用OS创建的共享资源不同系统调用接口不同进程间的通信就会有不同的种类 1.3进程间通信的方式 以下三种都属于本地通信 管道Pipe 管道是一种最基本的进程间通信IPC机制它用于在具有亲缘关系的进程之间通常指父子进程进行单向数据传输。管道是基于文件描述符实现的分为无名管道也称为匿名管道和命名管道也称为FIFO。直接复用内核代码直接通信 匿名管道仅能在具有亲缘关系的进程间使用。在进程创建时由父进程创建管道然后父进程将读/写端通过文件描述符的形式传递给子进程子进程从该描述符中读取或写入数据。命名管道可以在任意两个进程间使用具有一个唯一的名称在文件系统中以文件的形式存在。任何具有访问权限的进程都可以通过该名称访问命名管道并进行数据的读写操作。 System V进程间通信IPC System V IPC是UNIX系统V版本提供的一组进程间通信机制包括消息队列、信号量和共享内存。 消息队列允许进程间发送和接收消息。消息队列是保存在内核中的消息链表发送方将消息添加到队列的尾部接收方从队列的头部取走消息。每个消息具有一个唯一的类型接收方可以根据类型选择性地接收消息。信号量用于同步和互斥。信号量是一个整数变量用于表示某种资源的数量。进程可以通过对信号量进行P减和V加操作来实现对资源的访问控制。共享内存允许两个或多个进程共享同一块内存空间。共享内存是进程间通信中最快的方式因为数据直接在内存中传递不需要进行内核和用户空间的数据拷贝。但是共享内存需要进程间进行同步以防止数据的不一致。 POSIX进程间通信IPC POSIX IPC是POSIXPortable Operating System Interface标准定义的一组进程间通信机制包括消息队列、信号量、共享内存以及套接字等。POSIX IPC与System V IPC的主要区别在于它们的接口和语义有所不同但它们都提供了类似的通信功能。 POSIX消息队列与System V消息队列类似但具有更丰富的功能和更灵活的接口。POSIX信号量与System V信号量类似但提供了更丰富的操作如等待多个信号量等。POSIX共享内存与System V共享内存类似但提供了更简洁的接口和更丰富的功能如内存映射文件等。 2.管道 2.1管道的初步理解 如果我们以两种不同的方式读和写打开同一个文件hello.txt这时会创建两个不同的文件结构体对象但操作系统只会加载一份该文件的inode内核级文件缓冲区操作发方法集合内容和属性。 理解一种现象为什么父子进程会向同一个显示器终端打印数据 因为进程默认会打开三个标准输入输出012。怎么做到的因为bash打开了我们在OS中运行的进程都是bash的子进程因此所有的子进程也就默认打开了。 close()为什么我们的子进程主动close(0/1/2)不影响父进程继续使用显示器文件呢 因为文件的结构体对象中包含了内存级的引用计数父进程的关闭只会导致引用计数--只有当引用计数为0时文件资源才会被彻底的释放。 当我们创建一个子进程后子进程会继承父进程的内核数据结构这里指文件的但内容不会子进程中管理文件的数据结构包含了指向文件的结构体对象的指针当然也可以通过文件的结构体对象对打开的文件进行读写。多个进程都可以通过内核级文件缓冲区看到文件的资源我们将这个内核级文件缓冲区称作管道文件未来父进程往管道文件中写子进程向管道文件中读就实现进程通信了 这种通信只允许父和子的单向通信这意味着数据只能从管道的写端流向读端而不能反过来。这样的设计目管道最初被设计为一种简单的进程间通信机制主要用于父子进程之间的数据传递。它的设计目标就是实现单向数据流以满足这种简单的通信需求。父-子 / 子-父 2.2站在文件描述符的角度-进一步理解管道 创建管道父进程首先调用pipe()系统调用来创建一个管道。这个系统调用会返回一个包含两个文件描述符的数组通常表示为pipefd[2]。其中pipefd[0]是管道的读端pipefd[1]是管道的写端。创建子进程父进程接着会调用fork()系统调用来创建一个新的子进程。子进程会继承父进程的文件描述符表包括刚才创建的管道文件描述符。关闭不需要的文件描述符为了防止读写混乱父子进程需要各自关闭不需要的文件描述符。通常父进程会关闭管道的写端pipefd[1]只保留读端而子进程会关闭管道的读端pipefd[0]只保留写端。这样子进程就可以向管道中写入数据而父进程则可以从管道中读取数据。写入数据子进程使用write()系统调用通过管道的写端pipefd[1]向管道中写入数据。写入的数据会被存储在内核的缓冲区中等待父进程读取。读取数据父进程使用read()系统调用通过管道的读端pipefd[0]从管道中读取数据。如果父进程在读取数据时管道中没有数据可读即子进程还没有写入数据那么父进程的read()调用会被阻塞直到有数据可读为止。同样地如果子进程向已经写满的管道中写入数据它的write()调用也会被阻塞直到有空间可写为止。关闭文件描述符当父子进程完成通信后它们应该分别关闭各自的文件描述符以释放资源。 管道的数据传输是直接在内存中进行的不涉及硬盘I/O操作。当数据被写入管道时它会被存储在内核的缓冲区中等待读取进程来读取。读取进程通过系统调用从内核缓冲区中读取数据最后父子进程都关闭文件描述符管道被释放不会被内存缓冲区刷新到磁盘 2.3 管道的系统调用接口匿名管道 2.3.1介绍接口函数 我们通过文件的原理理解了管道但是不能用文件的接口了因为文件的接口没法让内存级缓冲区的数据不往磁盘刷新的所以工程师做了一个专门的接口pipe pipe() 系统调用 pipe() 系统调用用于在调用进程中创建一个管道pipe创建的管道就是一个文件但它不是普通文件而是单独构成一种文件系统他没有名字故又称为匿名管道并且只存在于内存中。它接受一个文件描述符数组作为参数并在这个数组中填充两个文件描述符一个用于读pipefd[0]另一个用于写pipefd[1]。 这个管道只是让父-子 / 子-父那我想实现双向的通信呢 可以创建两个管道多线程时讲解 为什么管道是单向的呢 简化设计单向通信的管道设计简化了管道的实现和管理。通过限制数据只能在一个方向上流动可以避免很多与双向通信相关的复杂性和潜在的同步问题。这种简单性使得管道成为一种高效、轻量级的进程间通信IPC机制。 避免冲突在双向通信中如果两个进程同时尝试读写同一个管道可能会导致数据冲突和混乱。通过限制管道为单向通信可以确保数据的有序性和一致性从而避免这种冲突。 清晰性单向通信使得管道的使用更加清晰明了。进程可以明确地知道哪个管道用于发送数据哪个管道用于接收数据。这种明确性有助于减少编程错误和调试困难。 灵活性虽然单个管道只能实现单向通信但可以通过组合多个管道来实现双向通信或其他更复杂的通信模式。例如可以使用两个管道来模拟双向通信一个管道用于进程A向进程B发送数据另一个管道用于进程B向进程A发送数据。这种灵活性使得管道可以适应各种不同的应用场景。 安全性在某些情况下限制通信方向可以提高系统的安全性。例如在服务器和客户端之间的通信中服务器可能只希望从客户端接收请求并发送响应而不希望客户端能够直接读取或修改服务器的内部状态。通过使用单向通信的管道可以确保这种安全性要求得到满足。 2.3.2编写一个管道的代码 1.初步代码我们调用了pipe创建管道成功后我们查看了pipefd[0]是读文件描述符读端而pipefd[1]是写文件描述符写端不出所料是3和4管道创建是成功的那么意味着创建了两个structfile指向缓冲区的。 #includeiostream
#includecerrno
#includecstring
#includeunistd.h
int main()
{//1.创建管道int pipefd[2];int n pipe(pipefd);//输出型参数rfdwfdif(n!0){std::cerrerrno:errno:errstring :strerror(errno)std::endl;return 1;}std::coutpipefd[0]: pipefd[0], pipefd[1]: pipefd[1]std::endl;return 0;
} 2.完成这一步的代码就让父子进程看到了同一份资源但还没有进行通信 //2.创建子进程//3.关闭不需要的fdpid_t id fork();if(id0){//子进程//子进程需要写那就关闭读端colse(pipefd[0]);exit(0);}//父进程//子进程需要读那就关闭写端colse(pipefd[0]); 3.进行通信 #include iostream
#include string
#include cerrno // errno.h
#include cstring // string.h
#include unistd.h
#include sys/types.h
#include sys/wait.hconst int size 1024;std::string getOtherMessage()
{static int cnt 0;std::string messageid std::to_string(cnt); // stoi - string - intcnt;pid_t self_id getpid();std::string stringpid std::to_string(self_id);std::string message messageid: ;message messageid;message my pid is : ;message stringpid;return message;
}// 子进程进行写入
void SubProcessWrite(int wfd)
{int pipesize 0;std::string message father, I am your son prcess!;char c A;while (true){std::string info message getOtherMessage(); // 这条消息就是我们子进程发给父进程的消息write(wfd, info.c_str(), info.size()); // 写入管道的时候没有写入\0, 有没有必要没有必要std::cerr info std::endl;}std::cout child quit ... std::endl;
}// 父进程进行读取
void FatherProcessRead(int rfd)
{char inbuffer[size]; // c99 , gnu g99while (true){sleep(2);// sleep(500);ssize_t n read(rfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1); // sizeof(inbuffer)-strlen(inbuffer);if (n 0){inbuffer[n] 0; // \0std::cout inbuffer std::endl;}else if (n 0){// 如果read的返回值是0表示写端直接关闭了我们读到了文件的结尾std::cout client quit, father get return val: n father quit too! std::endl;break;}else if(n 0){std::cerr read error std::endl;break;}// sleep(1);// break;}
}int main()
{// 1. 创建管道int pipefd[2];int n pipe(pipefd); // 输出型参数rfd wfdif (n ! 0){std::cerr errno: errno : errstring : strerror(errno) std::endl;return 1;}// pipefd[0]-0-r(嘴巴 - 读) pipefd[1]-1-w(笔-写)std::cout pipefd[0]: pipefd[0] , pipefd[1]: pipefd[1] std::endl;sleep(1);// 2. 创建子进程pid_t id fork();if (id 0){std::cout 子进程关闭不需要的fd了, 准备发消息了 std::endl;sleep(1);// 子进程 --- write// 3. 关闭不需要的fdclose(pipefd[0]);// if(fork() 0) exit(0);SubProcessWrite(pipefd[1]);close(pipefd[1]);exit(0);}std::cout 父进程关闭不需要的fd了, 准备收消息了 std::endl;sleep(1);// 父进程 --- read// 3. 关闭不需要的fdclose(pipefd[1]);FatherProcessRead(pipefd[0]);std::cout 5s, father close rfd std::endl;sleep(5);close(pipefd[0]);int status 0;pid_t rid waitpid(id, status, 0);if (rid 0){std::cout wait child process done, exit sig: (status0x7f) std::endl;std::cout wait child process done, exit code(ign): ((status8)0xFF) std::endl;}return 0;
} 子进程写入函数SubProcessWrite逻辑 该函数在子进程中运行用于不断向管道写入消息。具体逻辑如下 初始化定义一个pipesize变量但在此函数中并未实际使用初始化一个字符串message作为要发送的基本消息并定义了一个字符c同样未使用。 构造消息在每次循环中将预定义的message与通过调用getOtherMessage()函数该函数未在代码中定义获取的其他消息合并形成一个新的info字符串。 写入管道使用write系统调用将info字符串的内容不包括结尾的\0字符写入到管道的写端。由于管道是字节流通常不需要在写入时添加\0字符。 父进程读取函数FatherProcessRead逻辑 该函数在父进程中运行用于从管道读取子进程发送的消息。具体逻辑如下 定义缓冲区声明一个字符数组inbuffer作为读取数据的缓冲区但注意size变量并未在给出的代码片段中定义需要确保在调用此函数之前定义了size的值。 读取循环函数进入一个循环该循环将不断尝试从管道的读端读取数据。 休眠在每次尝试读取之前父进程会休眠2秒模拟非阻塞或延迟读取的情况。 读取数据使用read系统调用从管道的读端读取数据到inbuffer中。读取的字节数由read的返回值n确定。在读取的数据后手动添加一个\0字符作为字符串的结束标志。 处理读取到的数据 如果读取到的字节数n大于0表示成功读取到数据将inbuffer作为字符串输出。如果n等于0表示子进程已经关闭了写端父进程读取到了文件结尾EOF于是退出读取循环。如果n小于0表示在读取过程中发生了错误输出错误信息并退出读取循环。 退出循环当读取到文件结尾或发生错误时退出循环。在函数结束时并没有显式地关闭读端文件描述符但在实际情况中父进程可能需要在其他位置关闭这个文件描述符以避免资源泄漏。 管道的四种情况 1.如果管道内部是空的并且write fd没有关闭读取条件不具备读进程会被阻塞--wait-读取条件具备-写入数据。 2.管道被写满并且read fd不读且没有关闭管道被写满写进程会被阻塞管道被写满--写条件不具备--wait--写条件具备-读取数据。 3.管道一直在读并且写端关闭了wfd读端read返回值会读到0表示读到了文件结尾。 4.读端rfd直接被关闭了写端进程会被操作系统直接使用13号文件关掉。相当于进程出现了异常。 管道的五种特征 1.匿名管道只用来进行有血缘关系进程之间的进程通信常用于父子进程之间的通信。 2.管道内部自带进程之间同步的机制多执行流执行代码的时候具有明显的顺序性。 3.管道文件的生命周期是随进程的。 4.管道文件在通信的时候是面向字节流的write的次数和读取的次数不是一 一匹配的。由于管道是面向字节流的并且可能涉及到缓冲因此读取操作不一定会按照写入操作的次数来进行。例如写进程可能分两次写入了100字节和200字节的数据但读进程可能一次就读取了300字节的数据或者分三次读取100字节、100字节、100字节。 5. 半双工模式匿名管道即常见的管道是半双工的这意味着数据只能在一个方向上流动通常用于有亲缘关系的进程间通信如父子进程之间。
