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进程间通信及管道（理论）

backend 2025/7/20 8:22:38

目录

进程间通信介绍

进程间通信目的

进程间通信发展

进程间通信分类

管道

什么是管道

匿名管道

实例代码

用fork来共享管道原理

管道读写规则

管道特点

命名管道

创建一个命名管道

匿名管道与命名管道的区别

命名管道的打开规则

进程间通信介绍

进程间通信目的

数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
资源共享：多个进程之间共享同样的资源。
通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

进程间通信发展

管道
System V进程间通信
POSIX进程间通信

进程间通信分类

管道

匿名管道pipe
命名管道

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

什么是管道

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。
我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”

匿名管道
 #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
实例代码
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <string>const int size = 1024;std::string getOtherMessage()
{static int cnt = 0;std::string messageid = std::to_string(cnt);cnt++;pid_t self_id = getpid();std::string stringpid = std::to_string(self_id);std::string message = "message: ";message += messageid;message += "my pid is : ";message += stringpid;return message;
}//子进程写入
void Write(int wfd)
{std::string message = "father,I am son process!";while(true){std::string info = message + getOtherMessage();//子进程发给父进程的消息write(wfd,info.c_str(),info.size());sleep(1);}
}//父进程读取
void Read(int rfd)
{char inbuffer[size];while(true){ssize_t n = read(rfd,inbuffer,sizeof(inbuffer) - 1);if(n > 0){inbuffer[n] = 0;std::cout<< "father get message: " <<inbuffer <<std::endl;}}
}int main()
{//1.创建管道int pipefd[2];int n = pipe(pipefd);if(n != 0){std::cerr << "cerrno: " << errno << ": "<<"errstring: "<<strerror(errno) <<std::endl;return 1;}std::cout << "pipefd[0]: " <<pipefd[0] <<", pipefd[1]: "<<pipefd[1]<<std::endl;//2.创建子进程pid_t id = fork();if(id == 0){std::cout<<"子进程关闭不需要的fd了,准备发消息了"<<std::endl;sleep(1);//子进程 -- writeclose(pipefd[0]);Write(pipefd[1]);exit(0);}std::cout<<"父进程关闭不需要的fd了,准备收消息了"<<std::endl;sleep(1);//父进程 -- readclose(pipefd[1]);Read(pipefd[0]);pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid>0){std::cout << "wait child process done"<<std::endl;}return 0;
}
我们简单的写了一个父子进程的代码，我们的子进程来写，父进程来读，所以我们关闭了父进程的pipefd[1]写端，关闭了子进程的pipefd[0]读端。

用fork来共享管道原理

这个原理就相当于我们父子进程共享pipefd，各自保留自己需要的fd达到通信的过程。

管道读写规则

当没有数据可读时

O_NONBLOCK disable（禁用）：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。
O_NONBLOCK enable（启用）：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。

当管道满的时候

O_NONBLOCK disable： write调用阻塞，直到有进程读走数据
O_NONBLOCK enable：调用返回-1，errno值为EAGAIN

补充：O_NONBLOCK 的基本含义

启用 (O_NONBLOCK): 当一个文件描述符（如套接字）以 O_NONBLOCK 标志打开时，对该文件描述符执行的 I/O 操作（如读取、写入）将不会阻塞调用线程。如果操作不能立即完成（例如，因为网络数据尚未到达），这些操作将立即返回一个错误（通常是 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK），而不是让线程等待操作完成。

禁用 (~O_NONBLOCK 或无 O_NONBLOCK）: 默认情况下，如果不使用 O_NONBLOCK 标志打开文件描述符，I/O 操作将阻塞调用线程，直到操作完成。例如，如果尝试从套接字读取数据而当前没有数据可读，调用线程将被挂起，直到数据到达。

如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0。

如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号SIGPIPE,进而可能导致write进程退出。

当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。

当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。

管道特点

只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信；通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父、子进程之间就可应用该管道。
管道提供流式服务
一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程
一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥
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

命名管道

管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。
如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。
命名管道是一种特殊类型的文件

创建一个命名管道

命名管道可以从命令行上创建，命令行方法是使用下面这个命令：
mkfifo filename
命名管道也可以从程序里创建，相关函数有：
int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);
匿名管道与命名管道的区别

匿名管道由pipe函数创建并打开。
命名管道由mkﬁfo函数创建，打开用open
FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义。

命名管道的打开规则

如果当前打开操作是为读而打开FIFO时

O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
O_NONBLOCK enable：立刻返回成功

如果当前打开操作是为写而打开FIFO时

O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO