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进程间通信（IPC）概览

进程间通信（Inter - Process Communication，IPC）是指在不同进程之间传播或交换信息的机制。在 Linux 系统中，常见的 IPC 方式有匿名管道（PIPE）、命名管道（FIFO）、消息队列、共享内存、信号量等。不同的 IPC 方式适用于不同的场景，例如，匿名管道适用于具有亲缘关系的进程间通信，而命名管道可以用于无亲缘关系的进程间通信。

匿名管道（PIPE）

基本逻辑

匿名管道是一种半双工的通信方式，数据只能在一个方向上流动，即一端用于写入数据，另一端用于读取数据。匿名管道只能用于具有亲缘关系的进程（如父子进程）之间的通信。在创建管道时，系统会为管道分配两个文件描述符，一个用于读操作（fd[0]），另一个用于写操作（fd[1]）。

函数接口

在 Linux 中，使用 pipe 函数来创建匿名管道，其原型如下：

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);

• 参数：fd 是一个包含两个整数的数组，fd[0] 用于读取管道中的数据，fd[1] 用于向管道中写入数据。
• 返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1，并设置相应的错误码。

管道的读写特性

• 写入操作：向管道中写入数据时，数据会被追加到管道的末尾。如果管道已满，写入操作会被阻塞，直到管道中有足够的空间。
• 读取操作：从管道中读取数据时，数据会从管道的头部开始被读取。如果管道为空，读取操作会被阻塞，直到有数据被写入管道。
  

管道的阻塞特性

• 写入阻塞：当管道已满（默认情况下管道的缓冲区大小为 65536 字节），写入进程会被阻塞，直到有其他进程从管道中读取数据，释放出足够的空间。
• 读取阻塞：当管道为空时，读取进程会被阻塞，直到有其他进程向管道中写入数据。如果所有的写端文件描述符都已关闭，读取操作将不会阻塞，而是返回 0，表示已经读取到文件末尾。

注意事项

• 半双工通信：匿名管道是半双工的，数据只能在一个方向上流动。如果需要双向通信，需要创建两个管道。
• 亲缘关系：匿名管道只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信，通常是父子进程。
• 文件描述符关闭：在使用完管道后，需要及时关闭不再使用的文件描述符，避免资源泄漏。

代码示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int fd[2];pid_t pid;char buffer[BUFFER_SIZE];// 创建管道if (pipe(fd) == -1) {perror("pipe");return 1;}// 创建子进程pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");return 1;}if (pid == 0) {// 子进程close(fd[0]); // 关闭读端const char *message = "Hello, parent process!";// 向管道中写入数据if (write(fd[1], message, strlen(message)) == -1) {perror("write");return 1;}close(fd[1]); // 关闭写端exit(0);} else {// 父进程close(fd[1]); // 关闭写端// 从管道中读取数据ssize_t bytes_read = read(fd[0], buffer, BUFFER_SIZE);if (bytes_read == -1) {perror("read");return 1;}buffer[bytes_read] = '\0';printf("父进程收到消息: %s\n", buffer);close(fd[0]); // 关闭读端}return 0;
}

运行示例

shaseng@ubuntu:~$ gcc -o pipe_example pipe_example.c
shaseng@ubuntu:~$ ./pipe_example
父进程收到消息: Hello, parent process!

相关知识点

• 文件描述符：在 Linux 系统中，文件描述符是一个非负整数，用于标识打开的文件、管道、套接字等。pipe 函数返回的两个文件描述符分别用于管道的读和写操作。
• fork 函数：fork 函数用于创建一个新的进程，新进程是原进程的子进程。在使用匿名管道进行通信时，通常先创建管道，然后使用 fork
  函数创建子进程，父子进程通过管道进行通信。
• 读写操作：write 函数用于向文件描述符中写入数据，read 函数用于从文件描述符中读取数据。在管道通信中，通过 write 函数向管道的写端写入数据，通过 read 函数从管道的读端读取数据。

管道的父进程 子进程

在使用匿名管道进行进程间通信时，父进程和子进程扮演着不同的角色，下面从创建、使用和资源管理等方面详细介绍管道中父进程和子进程的相关内容。

管道的创建

在使用匿名管道进行进程间通信时，通常是由父进程先创建管道，再创建子进程。这是因为匿名管道只能在具有亲缘关系的进程（如父子进程）间使用，且管道的文件描述符是通过 pipe 函数创建的。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main() {int fd[2];if (pipe(fd) == -1) {perror("pipe");return 1;}// 后续可创建子进程return 0;
}

在上述代码中，父进程调用 pipe 函数创建了一个管道，fd[0] 用于读，fd[1] 用于写。

父进程和子进程的使用模式

单向通信

• 父进程写，子进程读
  父进程关闭读端（fd[0]），向写端（fd[1]）写入数据；子进程关闭写端（fd[1]），从读端（fd[0]）读取数据。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int fd[2];pid_t pid;char buffer[BUFFER_SIZE];if (pipe(fd) == -1) {perror("pipe");return 1;}pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");return 1;}if (pid == 0) {// 子进程close(fd[1]);  // 关闭写端ssize_t bytes_read = read(fd[0], buffer, BUFFER_SIZE);if (bytes_read == -1) {perror("read");return 1;}buffer[bytes_read] = '\0';printf("子进程收到消息: %s\n", buffer);close(fd[0]);} else {// 父进程close(fd[0]);  // 关闭读端const char *message = "Hello, child process!";if (write(fd[1], message, strlen(message)) == -1) {perror("write");return 1;}close(fd[1]);}return 0;
}

• 子进程写，父进程读
  子进程关闭读端（fd[0]），向写端（fd[1]）写入数据；父进程关闭写端（fd[1]），从读端（fd[0]）读取数据。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int fd[2];pid_t pid;char buffer[BUFFER_SIZE];if (pipe(fd) == -1) {perror("pipe");return 1;}pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");return 1;}if (pid == 0) {// 子进程close(fd[0]);  // 关闭读端const char *message = "Hello, parent process!";if (write(fd[1], message, strlen(message)) == -1) {perror("write");return 1;}close(fd[1]);} else {// 父进程close(fd[1]);  // 关闭写端ssize_t bytes_read = read(fd[0], buffer, BUFFER_SIZE);if (bytes_read == -1) {perror("read");return 1;}buffer[bytes_read] = '\0';printf("父进程收到消息: %s\n", buffer);close(fd[0]);}return 0;
}

双向通信

若要实现父子进程的双向通信，需要创建两个管道，一个用于父进程向子进程发送数据，另一个用于子进程向父进程发送数据。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int fd1[2], fd2[2];pid_t pid;char buffer[BUFFER_SIZE];if (pipe(fd1) == -1 || pipe(fd2) == -1) {perror("pipe");return 1;}pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");return 1;}if (pid == 0) {// 子进程close(fd1[1]);  // 关闭父->子管道的写端close(fd2[0]);  // 关闭子->父管道的读端// 从父进程读取数据ssize_t bytes_read = read(fd1[0], buffer, BUFFER_SIZE);if (bytes_read == -1) {perror("read");return 1;}buffer[bytes_read] = '\0';printf("子进程收到父进程消息: %s\n", buffer);// 向父进程发送数据const char *message = "Hello back, parent!";if (write(fd2[1], message, strlen(message)) == -1) {perror("write");return 1;}close(fd1[0]);close(fd2[1]);} else {// 父进程close(fd1[0]);  // 关闭父->子管道的读端close(fd2[1]);  // 关闭子->父管道的写端// 向子进程发送数据const char *message = "Hello, child!";if (write(fd1[1], message, strlen(message)) == -1) {perror("write");return 1;}// 从子进程读取数据ssize_t bytes_read = read(fd2[0], buffer, BUFFER_SIZE);if (bytes_read == -1) {perror("read");return 1;}buffer[bytes_read] = '\0';printf("父进程收到子进程消息: %s\n", buffer);close(fd1[1]);close(fd2[0]);}return 0;
}

资源管理

在使用完管道后，父子进程都需要及时关闭不再使用的文件描述符，以避免资源泄漏。例如，在上述代码中，子进程和父进程在完成读写操作后，都会调用 close 函数关闭相应的文件描述符。

此外，父进程还需要负责回收子进程的资源，避免产生僵尸进程。可以通过调用 wait 或 waitpid 函数来实现。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>int main() {int fd[2];pid_t pid;if (pipe(fd) == -1) {perror("pipe");return 1;}pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");return 1;}if (pid == 0) {// 子进程操作// ...exit(0);} else {// 父进程操作// ...int status;wait(&status);}return 0;
}

综上所述，在管道通信中，父进程和子进程需要根据通信需求合理使用管道的读写端，并做好资源管理工作。