『Linux从入门到精通』第 ㉓ 期 - 管道

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文章目录

  • 💐专栏导读
  • 💐文章导读
  • 🐧进程间通信的目的
  • 🐧如何进行进程间通信
  • 🐧进程间通信的分类
  • 🐧管道
    • 🐦什么是管道
    • 🐦管道原理
  • 🐧实例代码
  • 🐧管道的特点
  • 🐧代码拓展 - 通过管道实现进程控制

💐专栏导读

🌸作者简介：花想云 ，在读本科生一枚，C/C++领域新星创作者，新星计划导师，阿里云专家博主，CSDN内容合伙人…致力于 C/C++、Linux 学习。

🌸专栏简介：本文收录于 Linux从入门到精通，本专栏主要内容为本专栏主要内容为Linux的系统性学习，专为小白打造的文章专栏。

🌸相关专栏推荐：C语言初阶系列、C语言进阶系列 、C++系列、数据结构与算法。

💐文章导读

本章我们将深入学习如何通过管道进行进程间通信。

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🐧进程间通信的目的

  • 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一份资源；
  • 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一个进程所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变；

🐧如何进行进程间通信

首先进程间进行通信有最大的一个难题：

  • 进程是具有独立性的；

也就是说，我们无法做到让两个进程之间访问彼此的资源。因此进程间通信的首要任务是

  • 让两个进程看到同一份资源；
  • 然后让一方写入，另一方进行读取；

这也是主流的我们将要的介绍的几种进程间通信的方法的核心思想。

🐧进程间通信的分类

进程间通信经过漫长的发展，逐渐衍生出以下几种方式：

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；

本章节我们将介绍管道的进程间通信方式。

🐧管道

🐦什么是管道

在不久之前我们应该都见过Linux中的管道，例如：

在 myfile.txt 中写入五行文字：

$ echo "hello world" >> myfile.txt
$ echo "hello world" >> myfile.txt
$ echo "hello world" >> myfile.txt
$ echo "hello world" >> myfile.txt
$ echo "hello world" >> myfile.txt
$ cat myfile.txt 
hello world
hello world
hello world
hello world
hello world

当我们想统计出 myfile.txt 中有几行文字时：

$ cat myfile.txt | wc -l
5
  • wc -l 用来统计文本中的行数；

在Linux中，"管道"是一种机制，允许将一个命令的输出直接传递给另一个命令作为输入。这个机制通过竖线符号|来实现。通过使用管道，你可以将一个命令的输出作为另一个命令的输入，从而实现多个命令的协同工作，形成一个命令链。

例如，假设你有两个命令：command1 和 command2。你可以使用管道将它们连接在一起，使 command2 处理 command1 的输出。命令的形式如下：

$ command1 | command2

这会将 command1 的输出传递给 command2，而不是将其打印到终端。这种机制使得在Linux系统上可以轻松地组合和重用命令，从而实现更复杂的操作。

在计算机领域中，管道是一个比较大的概念，Linux指令中的 | 是管道的一种形式。

🐦管道原理

我们首先要明确，管道是一个文件。要做到让两个进程看到同一份资源，说明这一份资源不独属于任何一个进程。

当我们创建一个进程，该进程会拥有自己的tast_struct结构体，在这个结构体中管理着 struct files_struct字段，files_struct中又管理着该进程的文件描述符表 （struct file* fd_array[]），如下图所示：

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在该进程中，分别用读方式与写方式打开一个文件；然后 fork 创建子进程，此时子进程会继承来自父亲的与父亲相同的文件描述符表；

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此时父进程与子进程指向了同一个文件，接下来结合实际场景，例如，我们想让父进程进行写入，让子进程负责读取，这时父子进程需要关闭不需要的文件描述符，父进程将 4 关闭，子进程将 3 关闭，这时父子进程就可以根据需要来收发数据了。
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🐧实例代码

现在有一个需求：子进程向管道中发送数据，父进程每隔一秒读取一次管道中的内容。

在代码的编写过程中，我们需要用到一个接口——pipe为我们生成管道文件。它的基本原型如下：

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

这里，pipefd 是一个整型数组，有两个元素，分别表示管道的两个端口。pipefd[0] 代表读取端口，pipefd[1] 代表写入端口。成功调用 pipe 函数后，这两个文件描述符将被用于在两个相关进程之间传递数据。

#include <iostream>
#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

using namespace std;

int main()
{
    int pipefd[2] = {0};

    // 1. 创建管道
    int n = pipe(pipefd);
    if (n < 0)
    {
       cout << "pipe error" << errno << ": " << strerror(errno) << endl;
       return 1;
    }
    cout << "pipfd[0]" << pipefd[0] << endl;
    cout << "pipfd[1]" << pipefd[1] << endl;

    // 2.创建子进程
    pid_t id = fork();
    assert(id >= 0);

    if(id == 0) // 子进程
    {
        // 3.关闭不需要的fd
        close(pipefd[0]);

        // 4.开始通信
        const string namestr = "我是子进程";
        int cnt = 1;
        char buffer[1024];
        while(true)
        {
          snprintf(buffer, sizeof buffer, "%s : %d, pid : %d\n", namestr.c_str(), cnt++, getpid());
          write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));
        }
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    // 父进程
    close(pipefd[1]);

    // 4.开始通信
    char buffer[1024];
    int cnt = 0;
    while(true)
    {
        int n = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if(n > 0)
        {
            cout << "我是父进程，我读到了信息：\n" << buffer << endl;
        }
        else if(n == 0)
        {
            cout << "我是父进程，我读到了文件末尾" << buffer << endl;
            break;
        }
        else
        {
            cout << "我是父进程，读取异常" << buffer << endl;
            break;
        } 
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

🐧管道的特点

在管道的使用中，我们经常能遇到以下四种场景：

  1. 当我们read读取完毕所有的管道数据，如果写端不再继续写入数据，那读端只能等待；
  2. 当写端将管道全部写满了之后（管道文件的容量是有上限的）就不能在继续写入数据了；
  3. 当写端将数据全部写入并退出后，读端读取完毕管道数据后，read就会返回0，代表读到了文件末尾；
  4. 当写端一直写入数据，而读端关闭，这时写端所作的事情是无意义的，OS此刻会杀死一直写入数据的进程，OS会通过发送信号来终止该进程；

由四种场景，我们可以总结出管道具有的特点：

  1. 管道是单向通信的（半双工）。管道并不能读取和写入同时进行；
  2. 管道的生命周期随进程，当进程退出时，管道释放；
  3. 管道通信经常是由具有“血缘关系”的进程间进行的，例如父子进程；
  4. 在管道通信中，读与写的次数并不是强相关的，因为管道提供的是流式服务；
  5. 管道具有一定的系统能力，让读端与写端能够按照一定的步骤进行通信；

🐧代码拓展 - 通过管道实现进程控制

接下来，我们就基于管道进行一个简单的设计——父进程向不同的子进程写入特定的消息，唤醒子进程，并让子进程去执行特定的命令。

/* ctrlProcess.cpp */

#include "Task.hpp"

using namespace std;

Task t;
const int gnum = 3;

class EndPonit
{
public:
    EndPonit(int id, int fd)
        : _child_id(id),
          _write_fd(fd)
    {}

    ~EndPonit()
    {}

public:
    pid_t _child_id; // 子进程id
    int _write_fd;   // 写端fd
};

// 子进程要执行的方法
//void WaitCommand(int _write_fd)
void WaitCommand()
{
    while (true)
    {
        int command = 0;
        int n = read(_write_fd, &command, sizeof(int));
        if (n == sizeof(int))
        {
            t.Execute(command);
        }
        else if (n == 0)
        {
            break;
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
}

void creatProcess(vector<EndPonit> *end_points)
{
    for (int i = 0; i < gnum; i++)
    {
        // 1.创建管道
        int pipefd[2] = {0};
        int n = pipe(pipefd);
        assert(n == 0);
        (void)n;

        // 2.创建进程
        pid_t id = fork();
        assert(id != -1);

        // 子进程
        if (id == 0)
        {
            // 3.关闭不要的fd
            close(pipefd[1]);
            // 输入重定向
            dup2(pipefd[0], 0);
            // 子进程等待获取命令
            WaitCommand();
            //WaitCommand(pipefd[0]);
            close(pipefd[0]);
            exit(0);
        }

        // 父进程
        // 关闭不要的fd
        close(pipefd[0]);

        // 4.将新的子进程和它的管道写端，构建对象
        end_points->push_back(EndPonit(id, pipefd[1]));
    }
}
int main()
{
    vector<EndPonit> end_points;
    creatProcess(&end_points);

    int num = 0;
    while (true)
    {
        // 1.选择任务
        int command = COMMAND_FUNC1;
        // 2.选择进程
        int index = rand() % end_points.size();

        // 3.下发任务
        write(end_points[index]._write_fd, &command, sizeof(int));
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

/* Task.hpp */
#pragma once

#include <iostream>
#include <vector>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
using namespace std;

typedef void (*func_t)();

void Func1()
{
    cout << "pid:" << getpid() << "Func1...." << endl;
}

void Func2()
{
    cout << "pid:" << getpid() << "Func2...." << endl;
}

void Func3()
{
    cout << "pid:" << getpid() << "Func3...." << endl;
}

#define COMMAND_FUNC1 0
#define COMMAND_FUNC2 1
#define COMMAND_FUNC3 2

class Task
{
public:
    Task()
    {
        _tasks.push_back(Func1);
        _tasks.push_back(Func2);
        _tasks.push_back(Func3);
    }
    void Execute(int command)
    {
        if (command >= 0 && command < _tasks.size())
            _tasks[command]();
    }
    ~Task()
    {
    }

private:
    vector<func_t> _tasks;
};

运行效果展示

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本章的内容到这里就结束了！如果觉得对你有所帮助的话，欢迎三连~

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