【看表情包学Linux】IPC 进程间通信 | PIPE 管道 | 匿名管道 | 管道通信的原理 | 系统调用: pipe 接口
时间：2024-04-06 10:50:33 来源：网络cs 作者：胡椒 栏目：其他工具 阅读：
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目录
Ⅰ. 进程间通信（IPC）
0x00 引入：为什么要进程间通信？
0x01 进程间通信发展
Ⅱ. 管道（PIPE）
0x00 引入：何为管道？
0x01 匿名管道（Anonymous Pipe）
0x02 管道通信的原理
0x03 管道通信的特点
0x04 系统调用：pipe 接口
Ⅰ. 进程间通信（IPC）
0x00 引入：为什么要进程间通信？
IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）
在讲解进程间通信之前，我想我们应当首当其冲地去了解下：为什么要进程间通信？
进程间通信，难道是吃饱了撑了吗？进程喜欢没事聊两句？当然不是！
我们在之前讲过 "进程之间是具有独立性" 的，如果进程间想交互数据，成本会非常高！
因为独立性之本质即 "封闭"，进程们你封闭你的我封闭我的，那么进程间的交流可谓是窒碍难行。
进程间的通信说白了就是 "数据交互"，我们需要多进程进行协同处理一件事情。（宏观概念）
刚才说的是宏观上的概念，下面我们来看看具体的、为什么要进行通信：
因此不要以为，进程独立了就是彻底独立，有时我们需要双方能够进行一定程序的信息交互。
0x01 进程间通信发展
System V IPC 现在用的已经非常少了，更多的用于本地通信。
这已经是历史产物了，只讲共享内存共享内存什么的我们就不讲了，
因为现在大家都乐于谈论分布式，跨主机的东西了。
Ⅱ. 管道（PIPE）
0x00 引入：何为管道？
鼠鼠我啊整天生活在下水道捏，在管道里阴暗地爬行，对管道可是非常熟悉的捏！
何为管道？管道是 系统中最古老的%20IPC%20形式，
将一个进程连接到另一个进程的数据流称为管道%20(Pipe)。
%20%20中，管道分为%20匿名管道%20和%20命名管道。
下面我们先来讲解 匿名管道 (Anonymous Pipe) ！
0x01 匿名管道（Anonymous Pipe）
匿名管道是计算机进程间的一种 单工 先进先出通信机制，全双工通信 通常需要两个匿名管道。
💭 举个例子：假设内存中有两个独立的进程 和%20
*%20令
我们可以通过这个例子明白一个道理：通信之前，要让不同的进程看到同一份资源。
现阶段我们要学的进程间通信，不是如何通信，而是先去关注它们是如何看到同一份资源的。
那么在进程通信之前，如何做到让进程 "先看到同一份资源" 呢？
资源的不同，决定了不同种类的通信方式！ 而管道，就是提供共享资源的一种手段。
我们知道，文件在内存和磁盘之间来回切换是非常耗时的，因此进程间通信大多都是内存级别的。
即在内存内部重建一块 "小区域" 进行通信，示意图如下：
对我们来说，我们 echo 一个 hello，写到文件中，实际上这就算通信了：
但是我们要讨论的不是这种通信！我们讨论的是内存级的通信！
0x02 管道通信的原理
我们在前几章中学了文件描述符 (fd) 的知识点，我们将其系统中存在的匿名管道相结合：
首先，一个进程维护自己进程对应的文件描述符表 file_struct，而 file_struct 中有对应的数组。
数字里存的是 struct file* fd_array[]，这里面存的就是打开文件的文件指针。
其中 0,1,2 被默认占用，这个在之前我们也做过讲解，对应 stdin, stdout, stdin，这里不再赘述。
如果我们今天打开一个文件，OS 为了管理文件，需要将磁盘中的文件的属性信息加载到内存里。
对该文件形成 struct file，包含了文件的所有属性，对应了文件的：
如果我们让该进程 fork 创建一个子进程，
在做拷贝时是不需要将 struct file 本身给子进程拷贝一份的。
创建子进程 task_struct 和 file_struct 是需要被拷贝的，但是 struct file 是不需要的。
"创建进程，和我文件有什么关系？"
这也就是为什么我们创建 fork 子进程之后，让父子打印时，都会像同一个显示器打印的原因。
🔺 结论：struct file 一定能找到对应缓冲区的操作方法和 file 自己内部缓冲区。
0x03 管道通信的特点
我们来看看现实生活中的管道，管道大部分都是单向的，所有的管道都是为了传输资源的。
现实中的管道：传输天然气和石油计算机中的管道：传输数据在计算机通信领域的管道，如果文件不再是磁盘文件，通过特定的接口表征自己的身份。
自己读写数据时就在文件对应的内存缓冲区里完成数据交互，我们称该文件为 管道 (pipe) 。
Linux 下一切皆文件，因此管道也是文件，管道的底层就是基于 struct file 的。
进程间通信管道是单向的，传输数据的。单向的原因是因为管道的通信特点就是单向的。
❓ Q & A：
① 为什么父进程要分别打开读和写？因为为了让子进程继承，让子进程不用再打开了。
③ 为什么父子要关闭对应的读写？因为管道必须是单向通信的，这是操作系统决定的。
③ 谁决定，父子关闭什么读写？因为不是由管道本身决定的，是由你的需求决定的。
所以对我们来说，管道的建立就一定会出现打开两次文件，然后父子进程还要关闭 fd。
关闭我们 close 就行，但是打开还要我们 open 两次是不是未免太过于麻烦？不用担心！有 pipe！
0x04 系统调用：pipe 接口
Linux 给我们提供了 pipe 接口，只需调一下 pipe 就会在底层自动把文件以读和写的方式打开。
你会得到两个 fd，并且会被写进 pipefd[2] 数组中：
#include <unistd.h>int pipe(int pipefd[2]); // 数组中分别存储第一次 O_RDONLY 和 O_WRONLY你可以理解为：pipe 内部封装了 open，并且它 open 了两次：
第一次 open：以 O_RDONLY 读的方式打开第二次 open：以 O_WRONLY 写的方式打开最后，把读写 fd 分别放在 pipefd 数组的 0 下标和 1 下标中，这就帮你创建了一个共享文件。
并且别忘了 pipe 可是系统调用，创建文件时就在内核中将文件类型初始化 i_pipe，
让它指向的是一个管道文件，指向管道信息，也就不用和磁盘产生关联了。
当父进程没有写入的时候，子进程在等，所以父进程写入之后，
子进程才能 read（会返回）到数据，子进程打印读取数据要以父进程的节奏为主。
❓ 思考：父进程和子进程读写的时候（向显示器写入也是文件），是有一定顺序性的。父子进程各自 printf 的时候，会有顺序吗？
💡 答案是不会。管道内部没有数据，reader 就必须阻塞等待（read），管道内部如果数据被写满，此时 writer 就必须阻塞等待（write），等管道有数据。
完全乱序的地方就是缺乏访问控制，管道内部自带访问控制机制。
我们可以使用
CreatePipe 来创建匿名管道，并使用ReadFile与WriteFile函数来对管道进行读写操作，其读写操作总是阻塞式的。新建进程可继承管道句柄，读管道时收到一个：意味着管道的写端句柄已经关闭。
📌 [ 笔者 ] 王亦优📃 [ 更新 ] 2022.8.2❌ [ 勘误 ] /* 暂无 */📜 [ 声明 ] 由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免， 本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！| 📜 参考资料 C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/. Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. . 百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/. 比特科技. Linux[EB/OL]. 2021[2021.8.31 |
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