Linux——进程间通信，匿名管道，进程池

一、进程间通信（IPC）的理解

1.为什么进程间要通信（IPC）

首先进程之间是相互独立的，尽管是父子进程之间，它们虽然资源共享，但当子进程需要修改数据时仍然需要 进行写时拷贝，保持独立性。

而让进程间通信可以实现数据之间的交互，资源共享，事件通知，又或者是让一个进程对另一个进程进行控制。

进程间通信是操作系统中实现进程间协作和数据交换的重要机制 ，它使得多个进程能够共同完成任务，提高系统的效率和可靠性。

2.如何进行通信

进程间通信的原理其实很简单，只需要两个进程共同访问一个资源，而一个进程对资源的更改能被另一进程感知到，从而做出相应的操作。

所以通信的前提是进程之间能够访问同一个资源，而且该资源是公共的，而不是某进程内部的。

IPC 的典型方式对比

二、匿名管道

1.管道的理解

我们把进程之间通信的介质（资源）叫作管道。
开发者在设计管道技术时文件系统已经比较成熟，所以为了方便管理该资源就使用文件来实现， 而对文件的读写就是通信的过程 ，但它与一般的文件还是有些区别，文件都是储存到磁盘上的，而进程之间通信用的文件并不需要把它储存到磁盘上，它只是作为一个传输介质。

它比较特殊，所以起名为管道。管道其实是一个内存级的文件。

注意：父子进程之间的管道叫作匿名管道，顾名思义就是没有名字，也不需要名字，因为子进程能够继承下来父进程开辟的管道资源。

2.匿名管道的使用

创建匿名管道常用的接口是：

            int pipe(int pipefd[2]);

需要包含头文件：

            #include<unistd.h>

• 返回值：创建成功返回0，失败返回-1
• 参数：这个是一个输出型参数，传入一个int类型长度为2的数组，然后得到
  pipefd[0]：以读的方式打开的文件描述符
  pipefd[1]：以写的方式打开的文件描述符。

示例：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{int pipefd[2];pipe(pipefd);int rfd = pipefd[0],wfd = pipefd[1];pid_t id = fork();if(id == 0){close(wfd);//关闭子进程的写文件，只让它读int k=0;while(true){read(rfd,&k,sizeof(k));printf("read:%d\n",k);}}else{close(rfd);//关闭父进程的读文件，只让它写。int num=0;while(true){write(wfd,&num,sizeof(num));num++;sleep(1);}}return 0;
}

要记住pipefd[2]中哪个是读哪个是写有一个小技巧，0像嘴巴，所以下标为0的是读，1像钢笔，所以1下标是写。

3.管道的五种特性

1. 匿名管道，只能用来进行具有血缘关系的进程间通信（用于父与子）。
2. 管道文件，自带同步机制。如上代码示例，父进程写一次休眠一秒，而子进程是一直不断地读，快的一端会迁就于慢的一端，最后实现同步。
3. 管道是面向字节流的。怎么读与怎么写并没有联系，比如写入“hello world”，但可能读到“hel”，这取决于你要读多少字节。
4. 管道是单向通信的。也就是a（表示进程）写的时候b读。b写的时候a在读。而不是既在写同时也在读。
5. 管道（文件）的生命周期是随进程的。进程结束管道也随之销毁。

4.管道的四种通信情况

• 写慢，读快 — 读端就要阻塞（等待写端写入）。
• 写快，读慢 —到管道容量满了后，写端就要阻塞（等待读端读取数据，然后就可以覆盖式地继续往管道写入）。
• 写关闭，读继续 — read就会返回0，表示文件结尾。
• 写继续，读关闭 — 写端不再有意义，系统会杀掉写端进程。

5.管道缓冲区容量

管道缓冲区容量为64kb，大家可以根据管道的性质与通信特点，自行进行测试。

三、进程池

1.进程池的理解

在程序使用内存的时候，比如vector扩容机制，会提前给你开辟一块空间供你使用，尽管现在用不到，相当于做一下预备。减少开辟空间的频次，从而达到提高效率的效果。

那么进程池也同样，给父进程提前开辟一些子进程，提供父进程使用。其中我们使用匿名管道建立联系。

在父进程给子进程派发任务时，为了提高效率会让每个子进程均匀地分配到任务（称为负载均匀），而不是把大部分的任务都派发到一个子进程上，通常会有以下策略：

• 轮询：按顺序一一分配。
• 随机：随机进行分配。
• 负载因子：设计一个负载因子，让子进程按负载因子的大小排成一个小根堆，每次取出堆头的子进程派发任务，然后更新负载因子插回到堆中。

2.进程池的制作

在面向对象的编程中最重要的就是对对象的描述与组织，这里我们的核心就是对管道进行管理。那么首先需要一个类对管道进行描述。

class Channel
{
public:Channel(int fd,pid_t id): _wfd(fd),_subid(id){ }//... ...~Channel(){}
private:int _wfd;int _subid;
};

_wfd是该管道对应写端的fd，_subid是该管道对应的子进程的pid。

这里我们不必把rfd（读端fd）加入，因为我们现在对管道的描述组织，目的是方便父进程管理，而rfd是给子进程用的，所以不用添加为变量。

这里我们就以轮询的方式派发任务，刚才创建的Channel相当于对管道的描述，接下来创建ChannelManage进行组织。这里选择使用数组来管理，派发任务方式选择轮询，所以需要记录下一个需要派发到的管道的下标。

class ChannelManage
{
public:ChannelManage():_next(0){}//... ...~ChannelManage(){}
private:vector<Channel> _channels;int _next;
};

接下来还需要创建一个类对整体的进程池做管理。

class ProcessPool
{
public:ProcessPool(int num) : __process_num(num){}// ... ...~ProcessPool(){}
private:ChannelManage _cm;int _process_num;
};

其中_process_num表示需要创建多少子进程，这是由使用者来决定的。

在ProcessPool中我们准备实现这些方法

• bool Start()：用于创建子进程。
  由于我们是要生成多个通道所以需要循环来进行，而单趟循环需要做以下这些操作：

  1.创建管道，然后创建子进程。（这样能让子进程继承到管道信息）

  2.关于子进程：写端关闭，然后执行Work()，最后把读端关闭，并exit退出。

  3.关于父进程：读端关闭，然后把wfd，pid存入_cm中。

• void Work(int rfd)：用于子进程读取任务码并执行命令。

• void Run()：用于获取并派发任务。

• void Stop()：用于关闭写端并回收子进程。

最后为方便测试我们还需要一个管理任务的类和方法。我们可以单独创建一个Task.hpp文件。

typedef void (*task_t)();class TaskManage
{
public:TaskManage(){   //随机数种子srand((unsigned int)time(nullptr));}int Code(){   //随机生成任务码（数组下标）return rand()%_tasks.size();}void Execute(int code){   //执行任务_tasks[code]();}// ... ...~TaskManage(){}
private:vector<function<task_t>> _tasks;//用于储存任务的数组
};

然后需要在ProcessPool中放入TaskManage成员变量，并在ProcessPool的构造函数中完成对_tasks中内容的插入。具体操作参考下面源码。

四、源码

ProcessPool.hpp

#ifndef _PROCESS_POOL_HPP_
#define _PROCESS_POOL_HPP_#include <iostream>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include "Task.hpp"
using namespace std;//先描述
class Channel
{
public:Channel(int fd,pid_t id): _wfd(fd),_subid(id){_name = "channel-" + to_string(_wfd) + "-" + to_string(_subid);}~Channel(){}void Send(int code){int n = write(_wfd,&code,sizeof(code));(void)n;}void Close(){close(_wfd);}void Wait(){pid_t rid = waitpid(_subid, nullptr, 0);(void)rid;}int Fd(){return _wfd;}pid_t SubId(){return _subid;}string Name(){return _name;}private:int _wfd;pid_t _subid;string _name;//int _loadnum;
};//再组织
class ChannelManager
{
public:ChannelManager(): _next(0){}~ChannelManager(){}void Insert(int wfd,pid_t subid){_channels.emplace_back(wfd,subid);// Channel c(wfd,subid);// _channels.push_back(move(c));}Channel& Select(){auto& c = _channels[_next];_next++;_next %= _channels.size();return c;}void PrintChannel(){for(auto& channel : _channels){cout << channel.Name() << endl;}}void CloseAll(){for(auto& channel: _channels){channel.Close();}}void StopSubProcess(){for(auto& channel: _channels){channel.Close();cout << "关闭: " << channel.Name() << endl;}}void WaitSubProcess(){for(auto& channel: _channels){channel.Wait();cout << "回收: " << channel.Name() << endl;}}void CloseAndWait(){for(auto& channel: _channels){channel.Close();cout << "关闭: " << channel.Name() << endl;channel.Wait();cout << "回收: " << channel.Name() << endl;}//解决方法1 倒着关闭// for(int i = _channels.size() - 1;i >= 0;i--)// {//     _channels[i].Close();//     cout << "关闭: " << _channels[i].Name() << endl;//     _channels[i].Wait();//     cout << "回收: " << _channels[i].Name() << endl;// }}private:vector<Channel> _channels;int _next;
};const int gdefaultnum = 5;class ProcessPool
{
public:ProcessPool(int num): _process_num(num){_tm.Register(PrintLog);_tm.Register(DownLoad);_tm.Register(UpLoad);}~ProcessPool(){}void Work(int rfd){while(true){int code = 0;size_t n = read(rfd,&code,sizeof(code));if(n > 0){if(n != sizeof(code)){continue;}cout << "子进程[" << getpid() << "]收到一个任务码: " << code << endl;_tm.Execute(code);}else if(n == 0){cout << "子进程退出" << endl;break;}else{cout << "读取错误" << endl;break;}}}bool Start(){for(int i = 0;i < _process_num;i++){//1.创建管道int pipefd[2] = { 0 };int n = pipe(pipefd);if(n < 0){return false;}//2.创建子进程pid_t subid = fork();if(subid < 0){return false;}else if(subid == 0){//子进程//关闭子进程继承的哥哥的w端_cm.CloseAll();//3.关闭不需要的文件描述符close(pipefd[1]);Work(pipefd[0]);close(pipefd[0]);exit(0);}else{//父进程//3.关闭不需要的文件描述符close(pipefd[0]);_cm.Insert(pipefd[1],subid);}}return true;}void Debug(){_cm.PrintChannel();}void Run(){//1.选择一个任务int taskcode = _tm.Code();//2.选择一个信道[子进程],负载均衡的选择一个子进程，完成任务auto& c = _cm.Select();cout << "选择了一个子进程: " << c.Name() << endl;//3.发送任务c.Send(taskcode);cout << "发送了一个任务码: " << taskcode << endl;}void Stop(){//关闭父进程//_cm.StopSubProcess();//回收所有的子进程//_cm.WaitSubProcess();_cm.CloseAndWait();}private:ChannelManager _cm;int _process_num;TaskManager _tm;
};#endif

Task.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <vector>
#include <ctime>
using namespace std;typedef void (*task_t)();void PrintLog()
{cout << "我是一个打印日志的任务" << endl;
}void DownLoad()
{cout << "我是一个下载的任务" << endl;
}void UpLoad()
{cout << "我是一个上传的任务" << endl;
}class TaskManager
{
public:TaskManager(){srand((unsigned int)time(nullptr));}~TaskManager(){}void Register(task_t t){_tasks.push_back(t);}int Code(){return rand() % _tasks.size();}void Execute(int code){if(code >= 0 && code < _tasks.size()){_tasks[code]();}}private:vector<task_t> _tasks;
};

Main.cc

#include "ProcessPool.hpp"int main()
{//创建进程池对象ProcessPool pp(gdefaultnum);//启动进程池pp.Start();//自动派发任务int cnt = 10;while(cnt--){pp.Run();sleep(1);}//回收,结束进程池pp.Stop();return 0;
}