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【Linux】进程间通信：匿名管道与进程池

news 来源：原创 2025/5/18 23:26:01

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目录

    • 01.进程通信
    • 02.管道
      • 测试管道接口
    • 03.进程池
        • 轮询选择子进程
        • 主函数
        • 回收管道和子进程

01.进程通信

进程之间需要某种协同，所以如何协同的前提条件就是进程直接需要进行通信，传递有效数据

前面提到过，进程是具有独立性的，进程=内核数据结构+代码和数据

前面讲到子进程创建会继承父进程的信息，后面会发生写时拷贝，不属于进程间通信，我们提到的进程间通信，是让其一直通信

进程如何通信呢？

因为进程具有独立性，所以一个进程开辟的资源另一个进程是看不到的，所以进程间通信的前提，先让不同的进程，看到同一份（操作系统）资源（“一段内存”）

在这里插入图片描述

一定是某一个进程先需要通信，让OS创建一个共享资源

OS必须提供很多系统调用

OS创建的共享资源的不同，系统调用接口的不同，进程间通信会有不同的种类

进程通信的常见方式：

System V IPC：System V 消息队列，System V 共享内存，System V 信号量

POSIX IPC：消息队列，共享内存，信号量，互斥量，条件变量，读写锁

管道：匿名管道pipe，命名管道

02.管道

在这里插入图片描述

操作系统打开一个文件，属性初始化struct file，内容写到内核级文件缓冲区

当以读和写两种方式分别打开同一个文件时，操作系统为其分配文件描述符fd 3 4 ，当第二次打开同一个文件的时候，操作系统不需要再将文件的属性，操作方法集，缓冲区再加载一次，只有struct file会被单独创建两次

创建子进程以父进程模版copy一份，子进程文件描述符表也创建一份

在这里插入图片描述

创建子进程，还需要为3，4描述符再拷贝两个struct file吗？答案是不用的，进程的独立性跟文件没有关系

这里的拷贝类似浅拷贝的过程，子进程的3，4号指针也会指向文件系统中父进程指向的同一个struct file

所以为什么父子进程会向同一个显示器终端打印数据？就是因为文件描述符指向同一个文件

进程默认会打开三个标准输入输出：0，1，2，怎么做到的？bash的子进程–bash打开了，所有的子进程默认也就打开了，我们只要做好约定即可

我们子进程主动close(0/1/2)，不影响父进程继续使用显示器文件

前面也提到，文件会记录自己的硬链接数，这里struct file也会记录指向自己的文件描述符个数，当ref_count等于0时释放文件资源

进程间通信的本质，先让两个不同的进程看到一份公共的资源，这里父子进程看到了同一块文件内核级缓冲区，这里的公共资源，我们就将它叫做管道文件

管道只允许单向通信，不需要刷新到磁盘，所以需要重新设计通信接口

在这里插入图片描述
#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

本质是对open的封装，不需要文件路径和文件名，所以叫做匿名管道
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
如果想双向通信，就构建两个管道

测试管道接口

#include<iostream>
#include<string>
#include<cerrno>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<cstring>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;

string getOtherMessage()
{
    static int cnt=0;
    string messageid=to_string(cnt);
    cnt++;
    pid_t self_id =getpid();
    string stringpid =to_string(self_id);

    string message = "messageid: ";
    message+=messageid;
    message+="my pid is: ";
    message+=stringpid+"\n";
    return message;
}
void SubProcessWrite(int wfd)
{
    string message="I am chile process";
    while(true)
    {
        string info=message+ getOtherMessage();
        write(wfd,info.c_str(),info.size());//写入管道的时候，没必要写入\0，字符串跟文件没关系
        sleep(1);
    }
}

void ProcessRead(int rfd)
{
    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        ssize_t n =read(rfd,buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(n>0)
        {
            buffer[n]=0;
            cout<< "father get message:"<<buffer<<endl;
        }
    }
}

int main()
{
    int pipefd[2];
    int n =pipe(pipefd);
    if(n!=0)
    {
        cerr<<"errno:"<<errno<<" "<<"errstring:"<<strerror(errno)<<endl;
    }
    cout<<"pipefd[0]:"<<pipefd[0]<<",pipefd[1]:"<<pipefd[1]<<endl;
    sleep(1);
    //pipefd[0]:r,pipefd[1]:w
    pid_t id =fork();
    //让子进程写，父进程读
    if(id==0)
    {
        sleep(1);
        //子进程
        close(pipefd[0]);
        SubProcessWrite(pipefd[1]);
        exit(0);
    }
    sleep(1);
    close(pipefd[1]);
    ProcessRead(pipefd[0]);

    pid_t rid=waitpid(id,nullptr,0);
    if(rid>0)
    {
        cout<<"wait chile process done"<<endl;
    }
    return 0;
}

在这里插入图片描述

1. 管道创建 (pipe)

int pipefd[2];
int n = pipe(pipefd);
  • 这行代码创建了一个 匿名管道，返回值 pipefd 是一个包含两个文件描述符的数组：
    • pipefd[0] 是 读端（父进程从这里读取数据）。
    • pipefd[1] 是 写端（子进程将数据写入这里）。

2. 子进程的写入管道

if (id == 0)
{
    sleep(1);
    close(pipefd[0]);  // 子进程关闭管道的读端
    SubProcessWrite(pipefd[1]);
    exit(0);
}
  • 在 子进程 中，pipefd[0] 关闭了（因为子进程不需要读取数据）。
  • 然后调用 SubProcessWrite 函数，子进程开始向管道的 写端 (pipefd[1]) 写入数据。

3. 父进程的读取管道

close(pipefd[1]);  // 父进程关闭管道的写端
ProcessRead(pipefd[0]);
  • 在 父进程 中，pipefd[1] 被关闭（因为父进程不需要写数据）。
  • 父进程调用 ProcessRead 从管道的 读端 (pipefd[0]) 中读取数据。

4. 父进程读取的过程 (ProcessRead)

  • 父进程通过 read() 从管道的读端读取数据并存储在 buffer 中。
  • 读取到的数据被打印出来，并且没有添加字符串结束符 \0，所以需要手动为 buffer 添加终止符。

5. 子进程写入的过程 (SubProcessWrite)

  • 子进程每秒钟向管道写入一条包含 message 和动态生成的消息的字符串。getOtherMessage 会生成类似于 messageid 和 pid 的信息。
  • write() 函数向管道的写端发送数据。

6. 等待子进程结束 (waitpid)

pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);
if (rid > 0)
{
    cout << "wait child process done" << endl;
}
  • 父进程调用 waitpid() 等待子进程结束。当子进程完成时，父进程输出 "wait child process done"。

我们观察到的现象，子进程写一条，父进程读一条

管道的四种情况：

  • 读进程被阻塞：管道内是空的同时write fd没有关闭，读取条件不具备
  • 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）
  • 管道一直在读但是写端关闭了wfd，读端read返回值会读到0，表示读到了文件结尾
  • rfd直接关闭，写端进程会被操作系统直接使用13号信号关掉，相当于进程出现了异常在这里插入图片描述

管道的五种特征：

  • 匿名管道：只用来进行具有血缘关系的进程之间进行通信，常用于父子进程之间通信
  • 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，子进程写一个，父进程读一个
  • 管道文件的生命周期是随进程的
  • 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
  • 管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    如果单次向管道写入的数据小于PIPE_BUF，写入过程就是原子的，读写是安全的，不会出现写一半就被读走的情况

03.进程池

我们能否设计出这么一个东西，父进程（master）提前创建出一批子进程，有任务就把任务交给子进程、
在这里插入图片描述

管道里面没有数据，worker进程就在阻塞等待

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <vector>
#include <sys/types.h>

using namespace std;

void work(int rfd)
{
    while(true) sleep(1);
}
class Channel
{
public:
    Channel(int wfd, pid_t id, const string &name)
        : _wfd(wfd), _subprocessid(id), _name(name)
    {}
    int Getwfd()
    {
        return _wfd;
    }
    pid_t Getid(){
        return _subprocessid;
    }
    string Getname()
    {
        return _name;
    }

private:
    int _wfd;
    pid_t _subprocessid;
    string _name;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        cerr << argv[0] << "process num" << endl;
        return 1;
    }
    vector<Channel> channels;
    int num = stoi(argv[1]);
    for (int i = 0; i < num; i++)
    {
        // 创建管道
        int pipefd[2] = {0};
        int n = pipe(pipefd);
        if (n < 0)
            exit(1);
        // 创建子进程
        pid_t id = fork();
        if (id == 0)
        {
            // 子
            close(pipefd[1]);
            work(pipefd[0]);
            exit(0);
        }
        // 父
        string name = "Channel" + to_string(i);
        close(pipefd[0]);
        channels.push_back(Channel(pipefd[1], id, name));
    }
    for(auto& e:channels)
    {
        cout<<e.Getname()<<"-"<<e.Getwfd()<<"-"<<e.Getid()<<endl;
    }
    return 0;
}

Channel 类

  • Channel 代表一个通信通道，包含：
    • _wfd：用于向子进程写入数据的 管道写端。
    • _subprocessid：存储 子进程 ID。
    • _name：通道的名称（例如 Channel0、Channel1 等）。

main 函数

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        cerr << argv[0] << " process num" << endl;
        return 1;
    }
  • 该程序要求传入一个参数，用于指定要创建的子进程数量。
  • 若参数数量不对，则报错并退出。

创建子进程和管道

vector<Channel> channels;  
int num = stoi(argv[1]);  
for (int i = 0; i < num; i++)
{
    int pipefd[2] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    if (n < 0)
        exit(1);
  • 创建 vector<Channel> 存储所有的通道信息。
  • stoi(argv[1]) 解析传入的进程数量。
  • 使用 pipe(pipefd) 创建管道：
    • pipefd[0]：管道的 读端（子进程用来读取数据）。
    • pipefd[1]：管道的 写端（父进程用来写入数据）。
  • 如果 pipe() 失败，直接 exit(1) 退出。

** 创建子进程**

pid_t id = fork();
if (id == 0)
{
    // 子进程
    close(pipefd[1]);  // 关闭管道的写端
    work(pipefd[0]);   // 调用 work() 进入死循环
    exit(0);           // 这里不会执行到，因为 work() 死循环
}
  • 调用 fork() 创建子进程：
    • id == 0 表示当前进程是 子进程。
  • 子进程的处理逻辑：
    1. 关闭管道的写端（pipefd[1]）。
    2. 调用 exit(0) 退出子进程（但由于 work() 死循环，实际上不会执行 exit(0)）。

父进程管理通道

// 父进程
string name = "Channel" + to_string(i);
close(pipefd[0]); // 关闭管道的读端
channels.push_back(Channel(pipefd[1], id, name));
  • 父进程执行此代码：
    • 生成通道名称，例如 Channel0、Channel1。
    • 关闭管道的读端（pipefd[0]），因为父进程只负责写数据，不需要读数据。
    • 创建 Channel 对象 并存入 channels 向量中。

在这里插入图片描述

到这里管道就创建好了

这里会预先构建好任务表，函数指针数组，父进程不断往管道里写入任务码子进程读取

#pragma once
#include<iostream>
#include<ctime>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#define TaskNum 3

typedef void(*task_t)();

task_t tasks[TaskNum];

void Print()
{
    std::cout<<"I am print task"<<std::endl;
}
void DownLoad()
{
    std::cout<<"I am DownLoad task"<<std::endl;
}
void Flush()
{
    std::cout<<"I am Flush task"<<std::endl;
}
void InitTask()
{
    srand(time(nullptr) ^ getpid() ^ 17777);
    tasks[0]=Print;
    tasks[1]=DownLoad;
    tasks[2]=Flush;
}

void ExcuteTask(int number)//执行任务
{
    if(number<0||number>2) return;
    tasks[number]();
}

int SelectTask()
{
    return rand() % TaskNum;
}

定义一个大小为 TaskNum（即 3）的函数指针数组 tasks，用于存储任务函数
使用 rand() 生成一个随机数，并通过取模运算（% TaskNum）将其限制在 0 到 TaskNum - 1 之间

接下来通过channel控制子进程：

  • a.选择一个任务 b.选择一个信道和进程 c.发送任务
#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <vector>
#include <sys/types.h>
#include "Task.hpp"
using namespace std;

void work(int rfd)
{
    while (true)
    {
        int command = 0;
        int n = read(rfd, &command, sizeof(command));
        ExcuteTask(command);
    }
}
class Channel
{
public:
    Channel(int wfd, pid_t id, const string &name)
        : _wfd(wfd), _subprocessid(id), _name(name)
    {
    }
    int Getwfd()
    {
        return _wfd;
    }
    pid_t Getid()
    {
        return _subprocessid;
    }
    string Getname()
    {
        return _name;
    }

private:
    int _wfd;
    pid_t _subprocessid;
    string _name;
};

void CreateChannelandSub(vector<Channel> &channels, int num)
{
    for (int i = 0; i < num; i++)
    {
        // 创建管道
        int pipefd[2] = {0};
        int n = pipe(pipefd);
        if (n < 0)
            exit(1);
        // 创建子进程
        pid_t id = fork();
        if (id == 0)
        {
            // 子
            close(pipefd[1]);
            work(pipefd[0]);
            exit(0);
        }
        // 父
        string name = "Channel" + to_string(i);
        close(pipefd[0]);
        channels.push_back(Channel(pipefd[1], id, name));
    }
}
void SendTaskCommand(Channel &channels, int taskcommand)
{
    write(channels.Getwfd(), &taskcommand, sizeof(taskcommand));
}

// 0  1  2  3  4 channelnum
int NextChannel(int channelnum)
{
    static int next = 0;
    int channel = next;
    next++;
    next %= channelnum;
    return channel;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        cerr << argv[0] << "process num" << endl;
        return 1;
    }
    int num = stoi(argv[1]);
    InitTask();
    vector<Channel> channels;
    CreateChannelandSub(channels, num);
    // 2.通过channel控制子进程
    // a.选择一个任务 b.选择一个信道和进程
    while (true)
    {
        sleep(1);
        int taskcommand = SelectTask();
        int channel_index = NextChannel(channels.size());
        // c.发送任务
        SendTaskCommand(channels[channel_index], taskcommand);

        cout << "taskcommand: " << taskcommand << " channel:" << channels[channel_index].Getname() << " sub process:" << channels[channel_index].Getid() << endl;
    }
    return 0;
}

子进程的工作函数

void work(int rfd)
{
    while (true)
    {
        int command = 0;
        int n = read(rfd, &command, sizeof(command));
        ExcuteTask(command);
    }
}
  • rfd：管道的读端文件描述符。
  • 子进程通过 read() 从管道中读取任务命令，并调用 ExcuteTask() 执行任务。
  • 子进程会一直循环等待任务。

发送任务命令

void SendTaskCommand(Channel &channel, int taskcommand)
{
    write(channel.Getwfd(), &taskcommand, sizeof(taskcommand));
}
  • 主进程通过管道的写端向子进程发送任务命令。
  • taskcommand 是任务编号（如 0、1、2）。
轮询选择子进程
int NextChannel(int channelnum)
{
    static int next = 0;
    int channel = next;
    next++;
    next %= channelnum;
    return channel;
}
  • 使用轮询算法选择下一个子进程。
  • next 是静态变量，记录当前选择的子进程索引。
  • channelnum 是子进程的总数。
主函数
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        cerr << argv[0] << " process num" << endl;
        return 1;
    }
    int num = stoi(argv[1]); // 获取子进程数量
    InitTask();              // 初始化任务
    vector<Channel> channels;
    CreateChannelandSub(channels, num); // 创建管道和子进程

    // 主循环：分配任务给子进程
    while (true)
    {
        sleep(1);
        int taskcommand = SelectTask(); // 随机选择一个任务
        int channel_index = NextChannel(channels.size()); // 轮询选择子进程
        SendTaskCommand(channels[channel_index], taskcommand); // 发送任务

        // 打印任务分配信息
        cout << "taskcommand: " << taskcommand
             << " channel:" << channels[channel_index].Getname()
             << " sub process:" << channels[channel_index].Getid() << endl;
    }
    return 0;
}
  • 主函数逻辑：
    1. 检查命令行参数，获取子进程数量 num。
    2. 调用 InitTask() 初始化任务。
    3. 调用 CreateChannelandSub() 创建管道和子进程。
    4. 进入主循环：
      • 每隔 1 秒选择一个任务和一个子进程。
      • 将任务发送给选中的子进程。
      • 打印任务分配信息。

在这里插入图片描述

回收管道和子进程
class Channel
{
public:
---
    void CloseChannle()
    {
        close(_wfd);
    }
    void Wait()
    {
        pid_t rid=waitpid(_subprocessid,nullptr,0);
        if(rid>0)
        {
            cout<<"wait "<<rid<<" success"<<endl;
        }
    }
------
private:
    int _wfd;
    pid_t _subprocessid;
    string _name;
};
void CleanUpChannel(vector<Channel>& channels)
{
    for(auto & channel:channels)
    {
        channel.CloseChannle();
    }
    for(auto & channel:channels)
    {
        channel.Wait();
    }
}

发送10次任务，当父进程关闭wfd，子进程read读到0也就退出了
在这里插入图片描述

void CreateChannelandSub(vector<Channel> &channels, int num,task_t task)
{
    for (int i = 0; i < num; i++)
    {
        // 创建管道
        int pipefd[2] = {0};
        int n = pipe(pipefd);
        if (n < 0)
            exit(1);
        // 创建子进程
        pid_t id = fork();
        if (id == 0)
        {
            // 子
            close(pipefd[1]);
            dup2(pipefd[0],0);
            task();
            exit(0);
        }
        // 父
        string name = "Channel" + to_string(i);
        close(pipefd[0]);
        channels.push_back(Channel(pipefd[1], id, name));
    }
}
void work()
{
    while (true)
    {
        int command = 0;
        int n = read(0, &command, sizeof(command));
        if(n==sizeof(int))ExcuteTask(command);
        else if(n==0)
        {
            cout<<"sub process: "<<getpid()<<" quit"<<endl;
            break;
        }
    }
}

这里可以设置为不从管道中读，从标准输入读取，work本身就是一个task，这里将work改为一种

我现在传的这个函数是没有参数和返回值的，但是work必须要知道管道rfd，所以这里就先让0重定向到rfd，后面我函数里面从0读取即可

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