送給大家一句話：
人要成長，必有原因，背后的努力與積累一定數(shù)倍于普通人。所以，關(guān)鍵還在于自己。 – 楊絳

---

1 為什么要進程間通信

以前我們學習的過程中，進程是具有獨立性的。但有些時候需要多個進程進行協(xié)同，這時候就需要進程間的通信來保證信息的互通。

就比如學校就分有教務(wù)處 ， 學生處，教研組，班主任等部分。如果學校想要組織一場考試，就通知教務(wù)處安排好考場和監(jiān)考員，告訴教研組老師需要出卷子，等教務(wù)處與教研組完成對應(yīng)工作再告知學生處和班主任，然后通知學生進行考試，班主任和學生處做好考試監(jiān)督工作。

這里面就少不了溝通交流，傳遞信息。進程工作也是這樣：進程的協(xié)同工作需要一個前提提交——通信。通信就是傳遞數(shù)據(jù)，控制相關(guān)信息

2 進程如何通信

首先 ， 我們知道進程是具有獨立性的，一個進程的狀態(tài)不會影響其他進程的運行。而獨立性的本質(zhì)是進程 = 內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) + 代碼和數(shù)據(jù) ，內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)PCB是獨立的，代碼和數(shù)據(jù)是獨立的 ， 進程自然就是獨立的。

所以，進程間通信的成本的成本稍微高一些，因為進程本身是獨立的，兩個進程天然是無法進行數(shù)據(jù)共享的！

可是子進程建立的時候不是會拷貝（繼承）一份父進程的數(shù)據(jù)嗎，這不是進行通信嗎？？？
這就要我們明確區(qū)分兩個概念：能通信與可以一直通信是不一樣的。子進程繼承的父進程數(shù)據(jù)是只讀的，而且只進行一次。而一直通信是時不時就“打個電話”。

所以進程間通信的前提是：先讓不同的進程看到同一份（操作系統(tǒng)）資源（“一段內(nèi)存”）。

1. 首先，一定是某一個進程先需要通信，讓OS創(chuàng)建一個共享資源
2. 那么OS必須通過對應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建共享資源
3. OS創(chuàng)建的共享資源的不同 ， 系統(tǒng)調(diào)用接口的不同----就導(dǎo)致進程間通信會有不同的種類

3 進程通信的常見方式

一般通信有以下種類：

1. 管道
   • 匿名管道pipe
   • 命名管道
2. System V IPC 標準 （早期的本地通信）
   • System V 消息隊列
   • System V 共享內(nèi)存
   • System V 信號量
3. POSIX IPC 標準（現(xiàn)代版本）
   • 消息隊列
   • 共享內(nèi)存
   • 信號量
   • 互斥量
   • 條件變量
   • 讀寫鎖

今天來講解管道

早期的時候，程序員們面對通信的需求時，不想再單獨設(shè)計一個通信模塊，直接復(fù)用內(nèi)核級代碼，就產(chǎn)生了管道！！！管道分為命名管道和匿名管道。

4 管道

4.1 什么是管道

【Linux】 拿下 系統(tǒng) 基礎(chǔ)文件操作！！！
【Linux】開始了解重定向

這兩篇文章了我們講解了文件的底層，知道每一個進程都有對應(yīng)的文件管理結(jié)構(gòu)體，文件管理結(jié)構(gòu)體中有管理已經(jīng)打開文件的數(shù)組。數(shù)組下標為文件描述符，指向文件結(jié)構(gòu)體，而文件結(jié)構(gòu)體又會指向文件真正屬性inode。

當我們以不同方式打開文件時，只需要在內(nèi)存中加載一份數(shù)據(jù)（通過引用計數(shù)來管理），以讀寫方式打開，便會有兩個對應(yīng)的文件結(jié)構(gòu)體。他們共同使用一份代數(shù)據(jù)，那自然就使用同一個內(nèi)核級緩沖區(qū)。

那么為了要通信，不用在寫一個新的模塊，直接建立一個子進程來通信多簡單。子進程會以父進程為模版進行寫時拷貝。

進行拷貝的只有進程對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，因為進程具有獨立性，而文件系統(tǒng)我們可沒提過什么對立性，所以文件管理數(shù)組進行淺拷貝，同樣指向原先的文件結(jié)構(gòu)體。

這時也就理解為什么父子進程會向同一塊顯示器終端打印數(shù)據(jù)了。

也理解為什么進程會默認打開012三個標準輸入輸出：因為所有進程都是bash的子進程，而bash打開了這三個文件，所以自然就打開了！！！

子進程要主動close（0 / 1 /2）不影響父進程繼續(xù)使用顯示器文件！只有引用計數(shù)（類似硬鏈接數(shù)）歸零才會清理數(shù)據(jù)

今天我們進行進程間通信的前提——先讓不同的進程看到同一份（操作系統(tǒng)）資源，不就解決了嗎！！！

文件的內(nèi)存緩沖區(qū)不就是兩個進程共享的一份資源嗎！而所謂的管道文件就是這個文件緩沖區(qū)！

但是呢，管道只允許進行單向通信（父->子 或 子->父），因為管道如果允許父子進程都可以寫，就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)紊亂！進行通信的時候，每個進程關(guān)閉不需要的文件描述符，然后通過緩沖區(qū)來單向通信。一個進程把信息寫入緩沖區(qū)，另一個進程從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，不需要刷新到硬盤，直接從內(nèi)存進行操作！

有個問題：父子既然要關(guān)閉不需要的fd那為什么曾經(jīng)還要打開呢？可以不關(guān)閉嗎？
如果父進程只打開讀寫的fd,那么子進程也就只能繼承讀寫的fd,這就壞事了，總得有人寫入吧！那為什么不直接以讀寫方式打開一個fd呢？這樣肯定不可以，子進程繼承后也具有讀寫，也壞事了！
所以不關(guān)閉是為了讓子進程可以繼承下去，到時候關(guān)閉不需要的就可以了！當然也可以不關(guān)閉，只要你不亂使用，所以為了排除風險，建議直接關(guān)閉

4.2 管道通信的系統(tǒng)調(diào)用

了解了管道是什么，我們就來看看關(guān)于管道的系統(tǒng)調(diào)用是什么吧？
通過手冊我們可以看到：

PIPE(2)                                                             Linux Programmer's Manual                                                            PIPE(2)NAMEpipe, pipe2 - create pipeSYNOPSIS#include <unistd.h>/* On Alpha, IA-64, MIPS, SuperH, and SPARC/SPARC64; see NOTES */struct fd_pair {long fd[2];};struct fd_pair pipe();/* On all other architectures */int pipe(int pipefd[2]);#define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */#include <fcntl.h>              /* Obtain O_* constant definitions */#include <unistd.h>int pipe2(int pipefd[2], int flags);

新的pipe(int pipefd[2]) 是今天的主角（Ubuntu提供了新的選擇pipe2），其實底層就是open。

pipefd[2] 這是一個輸出型參數(shù)，把以讀方式打開的文件描述符rfd和以寫方式打開的文件描述符wfd記錄下來！

和open不同的是，這個系統(tǒng)調(diào)用不需要文件路徑和文件名，所以才叫匿名管道！

那么如果我們想要雙向通信呢？？？
干脆建兩個管道不就行了!

那為什么要進行單向通信呢？
因為這個管道的單向通信簡單，對代碼的復(fù)用率很高！

4.3 小試牛刀

接下來我們就來寫一個demo，來試試管道接口。

首先我們來搭建一個框架：

1. 建立一個管道，得到對應(yīng)的文件描述符
2. 創(chuàng)建子進程，關(guān)閉對應(yīng)文件
3. 我們進行子進程寫入，父進程讀取
4. 等待子進程退出，避免僵尸進程出現(xiàn)！

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
#include<sys/wait.h>
#include<cerrno>using namespace std;void SubProcessWrite(int wfd)
{
}
void FatherProcessRead(int rfd)
{
}
int main()
{//創(chuàng)建管道int pipefd[2];//[0] -> r | [1] -> wint n = pipe(pipefd);if(n != 0){perror("創(chuàng)建管道錯誤!\n");}cout << "pipefd[0] : " << pipefd[0] << " pipefd[1] :" << pipefd[1] << endl;//創(chuàng)建子進程//關(guān)閉對應(yīng)文件pid_t id = fork();if(id == 0){//子進程 -- writeclose(pipefd[0]);SubProcessWrite(pipefd[1]);//使用完都關(guān)閉close(pipefd[1]);exit(0);}//父進程 -- readclose(pipefd[1]);FatherProcessRead(pipefd[0]);//使用完都關(guān)閉close(pipefd[0]);pid_t rid = waitpid(id ,nullptr , 0 );if(rid > 0){cout << "wait child process done!" << endl;}return 0;
}

管道本質(zhì)也是文件，我們讀寫同樣使用write和read。
我們完善一下代碼：

1. 子進程每隔一秒寫入一次數(shù)據(jù)
2. 父進程每隔一秒讀取一次數(shù)據(jù)

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
#include<string>
#include<sys/wait.h>
#include<cerrno>using namespace std;string GetOtherMessage()
{static int cnt = 0;string messageid = to_string(cnt);cnt++;pid_t self_id = getpid();string stringid = std::to_string(self_id);string message = "messageid : ";message += messageid;message += "my pid :";message += stringid;return message;
}void SubProcessWrite(int wfd)
{string messages = "father,I am your soon process !";while (true){string info = messages + GetOtherMessage();//寫入管道時沒有寫入'\0'，沒有必要。在讀取時添加write(wfd , info.c_str() , info.size());sleep(1);}}
#define size 1024void FatherProcessRead(int rfd)
{char inbuffer[size];while (true){//注意傳入的參數(shù) ， 讀取 rfd 內(nèi)的數(shù)據(jù)到inbuffer中,返回成功讀取的個數(shù)。ssize_t n = read(rfd , inbuffer , sizeof(inbuffer) - 1);if( n > 0 ) {inbuffer[n] = '\0';//添加'\0'cout << "father get message: " << inbuffer << endl;}}
}
int main()
{//創(chuàng)建管道int pipefd[2];//[0] -> r | [1] -> wint n = pipe(pipefd);if(n != 0){perror("創(chuàng)建管道錯誤!\n");}cout << "pipefd[0] : " << pipefd[0] << " pipefd[1] :" << pipefd[1] << endl;sleep(1);//創(chuàng)建子進程//關(guān)閉對應(yīng)文件pid_t id = fork();if(id == 0){cout << "子進程關(guān)閉不需要的fd , 準備開始發(fā)消息" << endl;sleep(1);//子進程 -- writeclose(pipefd[0]);SubProcessWrite(pipefd[1]);//使用完都關(guān)閉close(pipefd[1]);exit(0);}cout << "子進程關(guān)閉不需要的fd , 準備開始接收消息" << endl;sleep(1);//父進程 -- readclose(pipefd[1]);FatherProcessRead(pipefd[0]);//使用完都關(guān)閉close(pipefd[0]);pid_t rid = waitpid(id ,nullptr , 0 );if(rid > 0){cout << "wait child process done!" << endl;}return 0;
}

運行看看：

這樣驗證管道通信的可行性。

5 總結(jié)

管道的4種情況

1. 如果管道內(nèi)部是空的 && write fd沒有關(guān)閉：
   讀取條件不具備，讀取進程會被阻塞 – wait 等待條件具備（寫入了數(shù)據(jù)）
2. 管道別寫滿 && read fd 不讀且沒有關(guān)閉 ：
   管道被寫滿，寫進程會被阻塞，寫條件不具備-- wait 等待條件具備（讀取走一部分數(shù)據(jù)才能繼續(xù)寫）
3. 管道一直在被讀 && 寫端關(guān)閉了wfd：
   讀端read的返回值會讀到 0 ，表示到了文件結(jié)尾！！！所以可以在讀取的時候進行一下判斷，為0就直接退出讀取！
4. rfd 直接關(guān)閉 ， 寫端wfd一直在寫入：
   首先管道只有一對讀寫端，讀端被關(guān)閉了，那么管道就不能稱之為管道了。OS系統(tǒng)也不會做這樣的無用功，直接把broken pipe壞的管道 進行殺掉！會發(fā)送對應(yīng)的13號信號SIGPIPE:
   

我們可以總結(jié)出管道的5 種特征：

1. 匿名管道：只用來進行父子進程之間，因為他們可以看到同一資源
2. 同步性：管道內(nèi)部自帶進程之間的同步機制！同步是多執(zhí)行流代碼的時候，具有明顯的順序性。父子進程的讀寫一定要同步進行，不然可能會出現(xiàn)并發(fā)讀取的情況，出現(xiàn)錯誤！
3. 文件的生命周期是隨進程的：當一個文件沒有進程調(diào)用的時候，就會釋放掉！
4. 管道在通信的時候，是面向字節(jié)流的：write 的次數(shù)和read的次數(shù)不是一一匹配的！
   我們讓子進程瘋狂的寫，父進程也一直讀。子進程每 1 s寫一次，寫入時也向標準錯誤里進行打印（為了好觀察）。父進程每5s讀一次，并打印到顯示器：
   
   可以看到，右側(cè)的子進程，左邊是父進程。子進程寫入好幾次的數(shù)據(jù)，會被父進程一次讀取一大批！！！
5. 管道的通信模式，是一種特殊的半雙工模式：與之對應(yīng)的是全雙工模式，即雙方交流可以同時說話。半雙工是只能一方說話，一方聆聽，不能同時說（對講機模式）。

這里提一個概念，在管道讀寫是"原子"的，每個"原子"是 4096 bytes。只有小于這個大小，就不會在讀寫時被其他人影響。如果大于一個原子的大小，就不能保證安全了。

下一篇文章我們進行管道的實戰(zhàn)——進程池項目！

Thanks?(･ω･)ﾉ謝謝閱讀！！！

下一篇文章見！！！