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進程間通信--管道

2019-11-11 04:44:14
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供稿:網(wǎng)友
   前面我們學習了一下進程,我們知道多,進程間的地址空間相對獨立。進程與進程間不能像線程間通過全局變量通信。 如果想進程間通信,就需要其他機制。        常用的進程間通信方式有這幾種A.傳統(tǒng)的進程間通信方式無名管道(pipe)、有名管道(fifo)和信號(signal)B.System v IPC對象共享內(nèi)存(share memory)、消息隊列(message queue)和信號燈(semaphore)C.BSD套接字(socket)一、無名管道(pipe)1.1管道的介紹A.管道是半雙工的,數(shù)據(jù)只能向一個方向流動;需要雙方通信時,需要建立起兩個管道B.只能用于父子進程或者兄弟進程之間(具有親緣關(guān)系的進程);C.單獨構(gòu)成一種獨立的文件系統(tǒng):管道對于管道兩端的進程而言,就是一個文件,但它不是普通的文件,它不屬于某種文件系統(tǒng),而是自立門戶,單獨構(gòu)成一種文件系統(tǒng),并且只存在與內(nèi)存中。D.數(shù)據(jù)的讀出和寫入:一個進程向管道中寫的內(nèi)容被管道另一端的進程讀出。寫入的內(nèi)容每次都添加在管道緩沖區(qū)的末尾,并且每次都是從緩沖區(qū)的頭部讀出數(shù)據(jù)。1.2管道的創(chuàng)建解釋如下 :從以上我們可以知道:管道是基于文件描述符的通信方式。當一個管道建立時,它會創(chuàng)建兩個文件描述符fd[0]和fd[1]。其中fd[0]固定用于讀管道,而fd[1]固定用于寫管道,一般文件I/O的函數(shù)都可以用來操作管道(lseek除外)。我們來測試一下管道的大小:案例一、單獨創(chuàng)建一個無名管道,并沒有實際的意義。我們一般是在一個進程在由pipe()創(chuàng)建管道后,一般再由fork一個子進程,然后通過管道實現(xiàn)父子進程間的通信(因此也不難推出,只要兩個進程中存在親緣關(guān)系,這里的親緣關(guān)系指的是具有共同的祖先,都可以采用管道方式來進行通信)。1.3無名管道的讀寫規(guī)則探究A.從管道中讀取數(shù)據(jù)<1>寫端不存在時,此時則認為已經(jīng)讀到了數(shù)據(jù)的末尾,讀函數(shù)返回的讀出字節(jié)數(shù)為0;#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>int main(){    int n;    int fd[2];    int count = 0;    char buf[100] = {0};    if(pipe(fd) < 0)    {        perror("Fail to create pipe");        exit(EXIT_FAILURE);    }        close(fd[1]);        if((n = read(fd[0],buf,sizeof(buf))) < 0)    {        perror("Fail to read pipe");        exit(EXIT_FAILURE);    }    PRintf("Rread %d bytes : %s./n",n,buf);    return 0;}運行結(jié)果:<2>寫端存在時,如果請求的字節(jié)數(shù)目大于PIPE_BUF(Ubuntu操作系統(tǒng)為65536),則返回管道中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),如果請求的字節(jié)數(shù)目不大于PIPE_BUF,則放回管道中現(xiàn)有數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)(此時,管道中數(shù)據(jù)量小于請求的數(shù)據(jù)量);或者返回請求的字節(jié)數(shù)(此時,管道中數(shù)據(jù)量不小于請求的數(shù)據(jù)量)案例二、父進程向管道中寫數(shù)據(jù),子進程從管道中讀取數(shù)據(jù)

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#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#include <string.h>#define N 10#define MAX 100int child_read_pipe(int fd){    char buf[N];    int n = 0;    while(1)    {        n = read(fd,buf,sizeof(buf));        buf[n] = '/0';        printf("Read %d bytes : %s./n",n,buf);        if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)            break;    }    return 0;}int father_write_pipe(int fd){    char buf[MAX] = {0};        while(1)    {        printf(">");        fgets(buf,sizeof(buf),stdin);        buf[strlen(buf)-1] = '/0';        write(fd,buf,strlen(buf));        usleep(500);        if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)            break;    }    return 0;}int main(){    int pid;    int fd[2];    if(pipe(fd) < 0)    {        perror("Fail to pipe");        exit(EXIT_FAILURE);    }    if((pid = fork()) < 0)    {        perror("Fail to fork");        exit(EXIT_FAILURE);    }else if(pid == 0){        close(fd[1]);        child_read_pipe(fd[0]);    }else{                close(fd[0]);        father_write_pipe(fd[1]);    }        exit(EXIT_SUCCESS);}運行結(jié)果:從以上驗證我們可以看到:<1>當寫端存在時,管道中沒有數(shù)據(jù)時,讀取管道時將阻塞<2>當讀端請求讀取的數(shù)據(jù)大于管道中的數(shù)據(jù)時,此時讀取管道中實際大小的數(shù)據(jù)<3>當讀端請求讀取的數(shù)據(jù)小于管道中的數(shù)據(jù)時,此時放回請求讀取的大小數(shù)據(jù)B.向管道中寫入數(shù)據(jù):向管道中寫入數(shù)據(jù)時,linux將不保證寫入的原子性,管道緩沖區(qū)一有空閑區(qū)域,寫進程就會試圖向管道寫入數(shù)據(jù)。當管道滿時,讀進程不讀走管道緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),那么寫操作將一直阻塞。注意:只有管道的讀端存在時,向管道中寫入數(shù)據(jù)才有意義。否則,向管道中寫入數(shù)據(jù)的進程將收到內(nèi)核傳來的SIGPIPE信號,應(yīng)用程序可以處理該信號,也可以忽略(默認動作則是使應(yīng)用程序終止)。#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#include <string.h>int main(){    int pid;    int n;    int fd[2];    char buf[1000 * 6] = {0};    if(pipe(fd) < 0)    {        perror("Fail to pipe");        exit(EXIT_FAILURE);    }    if((pid = fork()) < 0)    {        perror("Fail to fork");        exit(EXIT_FAILURE);    }else if(pid == 0){                close(fd[1]);        sleep(5);        close(fd[0]);        printf("Read port close./n");        sleep(3);    }else{        close(fd[0]);                while(1)        {            n = write(fd[1],buf,sizeof(buf));            printf("Write %d bytes to pipe./n",n);        }        }    exit(EXIT_SUCCESS);}運行結(jié)果:探究發(fā)現(xiàn),當管道數(shù)據(jù)滿時,此時再向管道寫數(shù)據(jù),寫端將阻塞。當讀端不存在時,寫端寫數(shù)據(jù),內(nèi)核將向其發(fā)送SIGPIPE信號,默認是終止進程。案例3:父進程讀取文件的內(nèi)容,寫到無名管道,子進程從管道中讀取內(nèi)容寫到另一個文件。//思考:父進程什么時候結(jié)束,子進程什么時候結(jié)束?

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#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <errno.h>#include <sys/stat.h>#include <sys/types.h>#include <fcntl.h>#define MAX 100int child_work(int pfd,char *fname){    int n,fd;    char buf[MAX];    if((fd = open(fname,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666)) < 0)    {        fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s./n",fname,strerror(errno));        return -1;    }    while( n = read(pfd,buf,sizeof(buf)) )    {        write(fd,buf,n);    }        close(pfd);    return 0;}int father_work(int pfd,char *fname){    int fd,n;    char buf[MAX];    if((fd = open(fname,O_RDONLY)) < 0)    {        fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s./n",fname,strerror(errno));        return -1;    }    while(n = read(fd,buf,sizeof(buf)))    {        write(pfd,buf,n);    }        close(pfd);    return 0;}int main(int argc,char *argv[]){    int pid;    int fd[2];    if(argc < 3)    {        fprintf(stderr,"usage %s argv[1] argv[2]./n",argv[0]);        exit(EXIT_FAILURE);    }    if(pipe(fd) < 0)    {        perror("Fail to pipe");        exit(EXIT_FAILURE);    }    if((pid = fork()) < 0)    {        perror("Fail to fork");        exit(EXIT_FAILURE);        }else if(pid == 0){                close(fd[1]);        child_work(fd[0],argv[2]);        }else{            close(fd[0]);        father_work(fd[1],argv[1]);        wait(NULL);    }    exit(EXIT_SUCCESS);}二、有名管道1.1有名管道的介紹無名管道,由于沒有名字,只能用于親緣關(guān)系的進程間通信.。為了克服這個缺點,提出了有名管道(FIFO)。FIFO不同于無名管道之處在于它提供了一個路徑名與之關(guān)聯(lián),以FIFO的文件形式存在于文件系統(tǒng)中,這樣,即使與FIFO的創(chuàng)建進程不存在親緣關(guān)系的進程,只要可以訪問該路徑,就能夠彼此通過FIFO相互通信,因此,通過FIFO不相關(guān)的進程也能交換數(shù)據(jù)。值的注意的是,F(xiàn)IFO嚴格遵循先進先出(first in first out),對管道及FIFO的讀總是從開始處返回數(shù)據(jù),對它們的寫則把數(shù)據(jù)添加到末尾。它們不支持諸如lseek()等文件定位操作。注意:有名管道的名字存在于文件系統(tǒng)中,內(nèi)容存放在內(nèi)存中。1.2有名管道的創(chuàng)建該函數(shù)的第一個參數(shù)是一個普通的路勁名,也就是創(chuàng)建后FIFO的名字。第二個參數(shù)與打開普通文件的open()函數(shù)中的mode參數(shù)相同。如果mkfifo的一個參數(shù)是一個已經(jīng)存在路勁名時,會返回EEXIST錯誤,所以一般典型的調(diào)用代碼首先會檢查是否返回該錯誤,如果確實返回該錯誤,那么只要調(diào)用打開FIFO的函數(shù)就可以了。1.3有名管道的打開規(guī)則有名管道比無名管道多了一個打開操作:openFIFO的打開規(guī)則:如果當前打開操作時為讀而打開FIFO時,若已經(jīng)有相應(yīng)進程為寫而打開該FIFO,則當前打開操作將成功返回;否則,可能阻塞到有相應(yīng)進程為寫而打開該FIFO(當前打開操作設(shè)置了阻塞標志);或者,成功返回(當前打開操作沒有設(shè)置阻塞標志)。如果當前打開操作時為寫而打開FIFO時,如果已經(jīng)有相應(yīng)進程為讀而打開該FIFO,則當前打開操作將成功返回;否則,可能阻塞直到有相應(yīng)進程為讀而打開該FIFO(當前打開操作設(shè)置了阻塞標志);或者,返回ENIO錯誤(當期打開操作沒有設(shè)置阻塞標志)。案例:A.open for  write

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#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <errno.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>int main(int argc,char *argv[]){    int fd;    if(argc < 2)    {        fprintf(stderr,"usage : %s argv[1]./n",argv[0]);        exit(EXIT_FAILURE);    }        if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)    {        fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s./n",argv[1],strerror(errno));        exit(EXIT_FAILURE);    }    if((fd = open(argv[1],O_WRONLY)) < 0)    {        fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s./n",argv[1],strerror(errno));        exit(EXIT_FAILURE);    }    printf("open for write success./n");        return 0;}B.open for read

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#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <errno.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>int main(int argc,char *argv[]){    int fd;    if(argc < 2)    {        fprintf(stderr,"usage : %s argv[1]./n",argv[0]);        exit(EXIT_FAILURE);    }        if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)    {        fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s./n",argv[1],strerror(errno));        exit(EXIT_FAILURE);    }    if((fd = open(argv[1],O_RDONLY)) < 0)    {        fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s./n",argv[1],strerror(errno));        exit(EXIT_FAILURE);    }    printf("open for read success./n");        return 0;}探究發(fā)現(xiàn),如果open時沒有使用O_NONBLOCK參數(shù),我們發(fā)現(xiàn)不論讀端還是寫端先打開,先打開者都會阻塞,一直阻塞到另一端打開。讀者自己可以探究,如果open時使用了O_NONBLOCK參數(shù),此時打開FIFO 又會是什么情況?1.4有名管道的讀寫規(guī)則A.從FIFO中讀取數(shù)據(jù)約定:如果一個進程為了從FIFO中讀取數(shù)據(jù)而以阻塞的方式打開FIFO, 則稱內(nèi)核為該進程的讀操作設(shè)置了阻塞標志<1>如果有進程為寫而打開FIFO,且當前FIFO內(nèi)沒有數(shù)據(jù),則對于設(shè)置了阻塞標志的讀操作來說,將一直阻塞。對于沒有設(shè)置阻塞標志讀操作來說返回-1,當前errno值為EAGAIN,提醒以后再試。<2>對于設(shè)置阻塞標志的讀操作說,造成阻塞的原因有兩種:當前FIFO內(nèi)有數(shù)據(jù),但有其他進程正在讀這些數(shù)據(jù);另外就是FIFO內(nèi)沒有數(shù)據(jù)。解阻塞的原因則是FIFO中有新的數(shù)據(jù)寫入,不論寫入數(shù)據(jù)量的大小,也不論讀操作請求多少數(shù)據(jù)量。<3>如果沒有進程寫打開FIFO,則設(shè)置了阻塞標志的讀操作會阻塞<4>如果寫端關(guān)閉,管道中有數(shù)據(jù)讀取管道中的數(shù)據(jù),如果管道中沒有數(shù)據(jù)讀端將不會繼續(xù)阻塞,此時返回0。注意:如果FIFO中有數(shù)據(jù),則設(shè)置了阻塞標志的讀操作不會因為FIFO中的字節(jié)數(shù)小于請求讀的字節(jié)數(shù)而阻塞,此時,讀操作會返回FIFO中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)量。B.向FIFO中寫入數(shù)據(jù)約定:如果一個進程為了向FIFO中寫入數(shù)據(jù)而阻塞打開FIFO,那么稱該進程內(nèi)的寫操作設(shè)置了阻塞標志。對于設(shè)置了阻塞標志的寫操作:<1>當要寫入的數(shù)據(jù)量不大于PIPE_BUF時,linux將保證寫入的原子性。如果此時管道空閑緩沖區(qū)不足以容納要寫入的字節(jié)數(shù),則進入睡眠,直到當緩沖區(qū)中能夠容納寫入的字節(jié)數(shù)時,才開始進行一次性寫操作。<2>當要寫入的數(shù)據(jù)量大于PIPE_BUF時,Linux將不再保證寫入的原子性。FIFO緩沖區(qū)一有空閑區(qū)域,寫進程就會試圖向管道寫入數(shù)據(jù),寫操作在寫完所有請求寫的數(shù)據(jù)后返回。對于沒有設(shè)置阻塞標志的寫操作:<1>當要寫入的數(shù)據(jù)量大于PIPE_BUF時,linux將不再保證寫入的原子性。在寫滿所有FIFO空閑緩沖區(qū)后,寫操作返回。<2>當要寫入的數(shù)據(jù)量不大于PIPE_BUF時,linux將保證寫入的原子性。如果當前FIFO空閑緩沖區(qū)能夠容納請求寫入的字節(jié)數(shù),寫完后成功返回;如果當前FIFO空閑緩沖區(qū)不能夠容納請求寫入的字節(jié)數(shù),則返回EAGAIN錯誤,提醒以后再寫。注意:只有讀端存在,寫端才有意義。如果讀端不在,寫端向FIFO寫數(shù)據(jù),內(nèi)核將向?qū)?yīng)的進程發(fā)送SIGPIPE信號(默認終止進程);案例一、write to FIFO#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <errno.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#define MAX 655360int main(int argc,char *argv[]){    int n,fd;    char buf[MAX];    if(argc < 2)    {        fprintf(stderr,"usage : %s argv[1]./n",argv[0]);        exit(EXIT_FAILURE);    }        if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)    {        fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s./n",argv[1],strerror(errno));        exit(EXIT_FAILURE);    }    if((fd = open(argv[1],O_WRONLY )) < 0)    {        fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s./n",argv[1],strerror(errno));        exit(EXIT_FAILURE);    }    printf("open for write success./n");    while(1)    {        printf(">");        scanf("%d",&n);        n = write(fd,buf,n);        printf("write %d bytes./n",n);    }        exit(EXIT_SUCCESS);}read from FIFO

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#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <errno.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#define MAX 655360int main(int argc,char *argv[]){    int fd,n;    char buf[MAX];    if(argc < 2)    {        fprintf(stderr,"usage : %s argv[1]./n",argv[0]);        exit(EXIT_FAILURE);    }        if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)    {        fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s./n",argv[1],strerror(errno));        exit(EXIT_FAILURE);    }    if((fd = open(argv[1],O_RDONLY )) < 0)    {        fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s./n",argv[1],strerror(errno));        exit(EXIT_FAILURE);    }        printf("open for read success./n");    while(1)    {        printf(">");        scanf("%d",&n);                n = read(fd,buf,n);            printf("Read %d bytes./n",n);    }    exit(EXIT_SUCCESS);}讀者可以將這兩個程序運行,然后輸入read和write   FIFO大小就可以看到效果。
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