Linux系统编程---进程间管道通信

1、进程间通信

        在前面几篇笔记博客文章中，主要是对Linux系统编程中多进程常间的基础知识梳理。从这篇文章开始，将对Linux系统编程的进程间通信知识进行梳理，理清知识脉络。首先会讲解Linux的管道通信(pipe)，就是本篇讲解的匿名管道和有名管道通信，接着是信号(signal)部分，然后信号量与PV操作，消息队列(queue)，共享内存等。

        起初是想把Linux系统编程的内容全部整合到一篇笔记文章中，但是考虑到内容比较多，加上在后面学到的东西越来越多时，容易遗忘，当需要翻阅笔记时，不仅不方便关注的网友参考学习，也不方便自己去复习。因此分篇梳理，在后面一看文章题目，就能确定是否是自己需要的内容。

        有需要的网友，可以查阅我的系统编程专栏参考交流：

系统编程_奔跑的蜗牛！的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_49337111/category_12952742.html?spm=1001.2014.3001.5482

        什么是进程间通信，有什么作用？

        在Linux系统中，进程间通信（Inter-Process Communication, IPC）是不同进程之间进行数据交换和同步的过程。在Linux中提供了多种机制来实现进程间的通信：管道（Pipe）、信号（Signals）、消息队列（Message Queues）、共享内存（Shared Memory）、信号量（Semaphores）、套接字（Sockets）。

        为了更加直观了理解进程间通信，举个简单的例子：

./execute     -> 开启了一个名字叫execute的进程。
./control     -> 开启了一个名字叫control的进程。
通过进程之间的通信，使得不同的进程之间能够实现数据的交换，上面的control进程发送数据给execute进程，execute进程收到数据之后，就可以根据数据做出相应的事情。（control进程控制execute进程）

        通过上面对IPC介绍，或多或少都对进程间通信有一定的了解了，不至于听到就头大，一头雾水，接下来部分开始介绍这篇博客文章的重点内容，管道通信。

2、匿名管道（PIPE）

2.1、什么是匿名管道

        匿名管道，又称为无名管道，它只能作用于具有亲缘关系的进程之间的通信，例如父子进程间。无名管道就是一个没有名字的管道文件，相当于一个队列结构，fd[1]为写入端（入队），fd[0]为读出端（出队）。无名管道中的信息读出后即删除，再次读取时即为下一个信息。

        不管是匿名管道还是有名管道，在Linux系统下都属于文件的范畴，区别是匿名管道没有名称，因此无法使用open创建或打开，事实上匿名管道有自己独特的创建接口（函数），但其读写方式与普通的文件一样，支持read()/write()操作。

        管道文件事实上还包括网络编程中的核心概念套接字，所谓的管道指的是这些文件不能进行“定位”，只能顺序对其读写数据，就像一根水管，拧开水龙头不断读取，就可以源源不断读到水管中的数据，但如果没有水出来那只能继续等待，不能试图“跳过”部分文件去读写水管的中间地带，这是管道的最基本的特性。

        在Linux命令行中，管道使用竖线 | 连接多个命令，这被称为管道符，通过管道符创建的匿名管道。

$ command1 | command2

        上面这条命令的功能是将前一个命令（command1）的输出，作为后一个命令（command2）的输入。

2.2、匿名管道API

//函数原型：
#include <unistd.h>int pipe(int pipefd[2]);    //执行这个函数之后，得到两个文件描述符 --> int  *pipefd//函数功能：
创建一个无名管道文件//参数说明：
pipefd：一个具有2个int类型变量的数组。//返回值：
成功：0
失败：-1

        说明：

1、pipefd[0] -> 读端 pipefd[1] -> 写端

2、没有名字，因此无法使用 open( )。

3、只能用于亲缘进程间（比如父子进程、兄弟进程、祖孙进程……）通信，因为他只能在一个进程中被创建出来，然后通过继承的方式将他的文件描述符传递给子进程。

4、半双工工作方式：读写端分开。

        总结一句话，匿名管道适用于一对一的、具有亲缘关系的进程间的通信。

2.3、匿名管道程序示例

        实现使用无名管道，实现父子进程间管道通信。

#include<stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main(int argc, char **argv)
{int fd[2];//创建一个无名管道文件 ,创建成功之后 fd[0] 读端  fd[1] 写端pipe(fd); //注意，不可以使用open打开无名管道，因为它没有名字，创建的时候默认已经打开了printf("fd[0]:%d fd[1]:%d\n",fd[0],fd[1]);//创建一个子进程 ，实现父进程与子进程的通信pid_t id = fork();if(id == -1)//出错{printf("fork error\n");return -1;}else if(id >0)//父进程{printf("[%d]我是父进程...\n", getpid());sleep(1);//给子进程发送数据,也就是说将数据写入 fd[1] 管道中printf("[%d]父进程，给子进程发送数据:",getpid());           char sendbuf[1024] ={0};scanf("%s",sendbuf);write(fd[1],sendbuf,strlen(sendbuf));}else if(id == 0)//子进程{printf("[%d]我是子进程...\n", getpid());sleep(1);//接收父进程的信息，也就是说从 读端 管道中 读取数据 fd[0]char recvbuf[1024]={0};read(fd[0],recvbuf,sizeof(recvbuf));        printf("[%d]子进程，接收父进程数据:%s\n",getpid(),recvbuf);            }int status; waitpid(-1,&status,WCONTINUED);//阻塞等待子进程的退出return 0;
}

3、有名管道（FIFO）

3.1、 什么是有名管道

        有名管道文件就是一个有名字的管道文件。在linux下，所有的进程都是可以看到这个文件，所以有名管道作用范围是整个linux系统下任意的两个进程。

        有名管道是跟匿名管道相对而言的，从外在形态上来看，具名管道更接近普通文件，有文件名、可以open打开、支持read()/write()等读写操作。

        有名管道通常又被称为FIFO（First In First Out），这其实所有管道的基本特性，那就是放入的数据都是按顺序被读出，即所谓先进先出的逻辑。

        当然，管道并不是普通文件，有名管道主要有如下特性：

        （1）与PIPE一样不支持定位操作lseek( )

        （2）与PIPE一样秉持相同的管道读写特性

        （3）使用专门的接口来创建：mkfifo( )（匿名管道是pipe( )）

        （4）在文件系统中有对应节点，支持使用 open( ) 打开管道（匿名管道不具备）

        （5）支持多路同时写入（匿名管道不具备）

3.2、有名管道API

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);//函数功能：
创建一个有名管道文件。//参数说明：
pathname --> 需要创建的管道文件的路径名（不建议在linux虚拟机的共享路径下创建）
mode     --> 创建管道文件的初始权限，如0777//返回值：
成功 返回0 
失败 返回 -1 ，并设置错误码        

        说明：

        （1）pathname是有名管道的名称，如果要新建的管道文件，需要保证创建的路径位于Linux系统内，如果在虚拟机中操作的时候，不可将管道文件创建在共享文件夹中，因为共享文件夹是windows系统，并不支持管道文件。建议创建在 /tmp 下， 因为管道文件是一个系统级别的资源文件，不会因为进程退出而消失，需要手动删除，因此在TMP下系统重启后会自动清除。

        （2）mode是文件权限模式，例如0666，注意权限须为八进制，且实际管道的权限还受系统 umask 的影响。

3.3、有名管道程序示例

        创建有名管道文件，并实现两个进程的通信。

(1)、进程1：写入管道数据

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>//注意 有名管道文件 不能在共享文件下 创建
#define  FIFO_FILE   "/home/Snail/Desktop/process/fifo"// ./fifo_w  -----> 发送数据     "hello"  ----> 管道文件int main(int argc, char*argv[])
{//判断管道文件是否存在，如果存在，则不再创建if(access(FIFO_FILE, F_OK) == -1)     //文件不存在则返回 -1{//1、先创建一个有名管道文件，注意 仅仅是创建 ，mkfifo没有 打开功能int ret = mkfifo(FIFO_FILE, 0777);if(ret == -1){perror("mkfifo error");return -1;}}//2、打开有名管道文件int fd = open(FIFO_FILE, O_RDWR);if(fd == -1){perror("open fifo error");return -1;}while(1){printf("请输入你要发送的数据:");char sendbuf[1024] = {0};scanf("%s",sendbuf);//3、往 有名管道文件 写入数据  write(fd, sendbuf, strlen(sendbuf));}//4、关闭文件close(fd);return 0;
}

(2)、进程2：读取管道数据

#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>//注意 有名管道文件 不能在共享文件下 创建
#define  FIFO_FILE   "/home/Snail/Desktop/process/fifo"//./fifo_r  读取数据  从 管道文件中 int main(int argc, char*argv[])
{//先判断管道文件是否存在，如果存在，则不需要再创建了if(access(FIFO_FILE, F_OK) == -1) //文件不存在则返回 -1{//1、先创建一个有名管道文件，注意 仅仅是创建 ，mkfifo没有 打开功能int ret = mkfifo(FIFO_FILE,0777);if(ret == -1){perror("mkfifo error");return -1;}}//2、打开有名管道文件int fd = open(FIFO_FILE,O_RDWR);if(fd == -1){perror("open fifo error");return -1;}//3、从管道文件中读取数据//如果没有数据，则会阻塞 等待 管道文件中有数据，才会读取while(1){char recvbuf[1024]= {0};read(fd,recvbuf,sizeof(recvbuf));printf("recvbuf:%s\n",recvbuf);}//4、关闭文件close(fd);return 0;
}

        在目标路径下，可以找到创建的有名管道文件。

4、总结

        ①、管道是创建在内存中，进程结束空间释放，管道不复存在。

        ②、无名管道和有名管道都是半双工通信，实现双向通信需要建立两个管道。

        ③、无名管道是linux特殊文件。

        ④、无名管道只用于父子进程之间，有名管道可用于任意两个进程之间。