进程间通信（Inter-Process Communication）

为什么需要进程间通信

当程序是多进程协同工作时，进程间基本都会涉及到数据共享

如何实现进程间数据的共享?

使用进程间通信来实现数据共享

进程间有时需要传递消息
--但是进程在系统有自己的地址空间，os不允许其他进程随意进入该地址空间
--所以内核提供了一种机制：既可以保证通信，又可以保证进程安全--这个机制就叫：进程间通信

本章内容和意义

Linux OS所提供的进程间通信机制：

• 信号
• 管道（有名、无名）
• 消息队列
• 共享内存
• 信号量

C程序在windows和Linux下想要实现“进程控制”和“进程间通信”的话：

必须调用系统API或者说该系统自己特有C库（不是标准c库）

java提供“进程控制”和“进程间通信”的库接口

+学习意义
1.对开发者来说：了解进程间的互斥、进程的同步、资源保护等这些概念很必要
2.有助于理解其它 OS 的进程间通信(与 Linux 类似)
3.加深对进程的理解，帮助后续对比学习c线程+学习重点
理解进程通信的实现原理，通过代码将进程间通信理解清楚

进程间通信其实就是：多进程相互通信，共享信息和交换信息的方法

为什么进程空间完全独立

​ 进程空间完全独立，会使得进程间共享数据很困难，但是为什么OS还是要将进程空间，弄成是完全独立的呢？

什么是进程空间

其实就是程序运行的内存空间

不过OS有提供虚拟内存时，我们所说的进程空间，指的都是虚拟内存空间

虚拟内存是基于物理内存实现的，说虚拟内存时，本身就包含了虚拟内存所对应的底层物理内存空间

虚拟地址与物理地址

• 虚拟内存有自己的虚拟地址（就是一些编号）

  叫虚拟地址是因为这些地址并不对应真实物理内存

• CPU取指运行时，PC是通过虚拟地址来取指的,但是程序指令肯定是放在了真实的物理内存上的，所以虚拟地址最终会被转换为物理地址，然后到真实的物理内存中取出指令，再供CPU执行

每一个进程空间的虚拟地址都是一样的
--原因:如果不一样的话，管理起来会非常的麻烦对于32位的 OS 来说，虚拟内存的虚拟地址的编码范围为：0~4G-1
--虚拟内存的虚拟地址也不是全用上了，这个范围太大了，OS 做了限制，实际上虚拟地址也只使用了其中的一部分而已

虚拟内存这么大，底层对应的物理内存空间也这么大吗？

当然不可能，如果是这样的话运行40个进程，所占物理内存空间就 == 4G*40(160G)

所以每个进程在运行时，虚拟内存底层实际所需的物理内存空间并不大

为什么要在物理内存上营造出虚拟内存

有一个很重要的原因是:通过虚拟内存机制，可以让每个进程拥有完全独立的进程空间。

虚拟内存的一个重要作用就是：可以让每个进程拥有完全独立的进程空间

也就是说：

虽然每个进程空间拥有完全相同的虚拟地址，但是不会相互干扰，各自操作各自的代码和数据

• 所有进程空间（虚拟内存空间）的虚拟地址（编号）是一样的
• 但是各自在物理内存上，实际所对应的物理内存空间完全不同
• 虚拟内存通过特殊的实现机制，它可以严格保证每个虚拟内存，各自对应的是完全独立的物理内存空间

总结：

为什么说每个进程的进程空间是完全独立的

虚拟内存机制可以保证，每个程序完全运行在各自独立的物理内存空间，而且还能保证它们绝对不会误访问得到对方的物理内存空间

进程间通信

IPC原理

所有进程通过同一OS来实现数据的转发

进程间通信的原理:

OS作为所有进程共享的第三方，会提供相关的机制，以实现进程间数据的转发，达到数据共享的目的

广义上的进程间通信

A进程——————文件———————B进程				
A进程—————数据库——————B进程一般来说，这种广义的进程间通信，并不被算作真正的“进程间通信”

只有OS所提供的专门的通信机制，才能算作是真正的“进程间通信”

LINUX提供的进程间通信

Linux的进程间通信，其实都是继承于Unix

• 信号

前面讲的信号其实也是进程间通信的一种，只不过信号是非精确通信

本章讲的IPC是精确通信
---精确通信，就是能告诉你详细信息
---而信号这种非精确通信，只能通知某件事情发生了，但是无法告诉详细信息

进程间通信

• 管道

  • 无名管道
  • 有名管道

system V IPC(系统5)

• 消息队列：通过消息队列机制来通信
• 共享内存：通过共享内存机制来通信
• 信号量：借助通信来实现资源的保护（一种加锁机制）

无名管道

无名管道的通信原理

​ 具体来说就是，内核会开辟一个“管道”，通信的进程通过共享这个管道，从而实现通信

操作无名管道

以文件的方式来读写管道

• 有读写用的文件描述符
• 读写时会用write、read等文件Io函数

为什么叫无名管道

无名管道文件比较特殊，它没有文件名,但可以通过“文件描述符”来操作管道，它就是一个文件（管道文件）

无名管道API

#include /* On all other architectures */
int pipe(int pipefd[2]);

功能

创建一个用于亲缘进程（比如：父子进程）之间通信的无名管道（本质上是:缓存），并将管道与两个读写文件描述符关联起来

无名管道只能用于亲缘进程之间通信

参数

缓存地址:缓存用于存放读写管道的文件描述符

这个缓存就是一个拥有两个元素的int型数组

1）元素[0]：里面放的是读管道的读文件描述符
2）元素[1]：里面放的是写管道的写文件描述符

这里的读和写文件描述符，是两个不同的文件描述符

并不是所有的文件描述符，都是通过open函数打开文件得到的

这里无名管道的读、写文件描述符，就是直接在创建管道时得到的，与open没有任何关系

这里也没办法使用open函数，因为open函数需要文件路径名，无名管道没有文件名

无名管道特点

只能用于亲缘进程之间通信

由于没有文件名，因此进程没办法使用open打开管道文件，从而得到文件描述符
----方法----
父进程先调用pipe创建出管道，并得到读写管道的文件描述符。
然后再fork出子进程，让子进程通过继承父进程打开的文件描述符
父子进程就能操作同一个管道，从而实现通信。

内核在调用无名管道函数，会创建出一个缓存，也就是管道，一端用于读一端用于写

子进程被父进程fork后，会继承父进程的文件描述符，实现亲缘通信关系

只要是存在继承关系的进程就是亲缘进程：

（1）直接继承关系父进程————>子进程
（2）间接继承关系父进程————>子进程————>子进程————>...

读管道时，如果没有数据的话，读操作会休眠（阻塞)

无名管道代码

父子进程单向通信

（a）父进程在fork之前先调用pipe创建无名管道----获取读写文件描述符
（b）fork创建出子进程，子进程继承无名管道读写文件描述符
（c）父子进程使用各自管道的读写文件描述符进行读写操作,实现通信

#include 
#include 
#include 
#include 
/*单向通信---父进程写数据，子进程读数据并打印*/
int main(void){/*fork前优先创建管道*/int pipefd[2]={0};//用于存放管道读写文件描述符 [0]:读 [1]:写int ret=0;ret=pipe(pipefd);//int pipe(int pipefd[2]);if(ret==-1){perror("pipe fail\n");exit(-1);}/*调用fork函数*/ret=fork();if(ret>0){while(1){write(pipefd[1],"hello",5);//写sleep(0.5);}}else if(ret==0){while(1){char buf[30]={0};//清空缓存bzero(buf,sizeof(buf));read(pipefd[0],buf,sizeof(buf));printf("child,data=%s",buf);}}return 0;
}

关闭没有用到的文件描述符

• 两个close

#include 
#include 
#include 
#include 
/*单向通信---父进程写数据，子进程读数据并打印*/
int main(void){/*fork前优先创建管道*/int pipefd[2]={0};//用于存放管道读写文件描述符 [0]:读 [1]:写int ret=0;ret=pipe(pipefd);//int pipe(int pipefd[2]);if(ret==-1){perror("pipe fail\n");exit(-1);}/*调用fork函数*/ret=fork();if(ret>0){close(pipefd[0]);while(1){write(pipefd[1],"hello",5);//写sleep(0.5);}}else if(ret==0){close(pipefd[1]);while(1){char buf[30]={0};//清空缓存bzero(buf,sizeof(buf));read(pipefd[0],buf,sizeof(buf));printf("child,data=%s",buf);}}return 0;
}

SIGPIPE信号

写管道时，如果管道的读端被close了话，向管道“写”数据的进程会被内核发送一个SIGPIPE信号
------发这个信号的目的就是想通知你，管道所有的“读”都被关闭了。

水管的出口（读）给堵住了，结果你还一直往里面灌水（写），别人跟定会警告你，因为你这样可能会对水管造成损害

这个信号的默认动作是终止，所以收到这个信号的进程会被终止

注意只有两个读端被关闭后，才会产生这个信号（父子进程都没有出口）

父子进程双向通信

单个无名管道无法实现双向通信

因为父子进程会争夺读数据

自己发送给对方的数据，就被自己给抢读到

解决

• 创建两个管道，父子进程各有四个读写端

• 关闭一个管道的子进程读写端，和另一个管道的读进程读写端即可达到目的

#include 
#include 
#include 
#include 
/*双向通信---父子进程读写数据*/
int main(void){/*fork前优先创建管道*///创建两个管道int pipefd1[2]={0};int pipefd2[2]={0};pipe(pipefd1);pipe(pipefd2);/*调用fork函数*/int ret=0;ret=fork();/*父进程写hello子进程接收*/if(ret>0){//关闭父进程的管道1的读文件描述符close(pipefd1[0]);//关闭父进程管道2的写文件描述符close(pipefd2[1]);char buf1[30]={0};while(1){write(pipefd1[1],"hello",5);/*父进程通过管道二读数据*/bzero(buf1,sizeof(buf1));read(pipefd2[0],buf1,sizeof(buf1));printf("parent=%s\n",buf1);}}else if(ret==0){//关闭子进程管道1的写文件描述符close(pipefd1[1]);//关闭子进程管道1的读文件描述符close(pipefd2[0]);char buf2[30]={0};while(1){/*子进程通过管道2写文件*/write(pipefd2[1],"world",5);bzero(buf2,sizeof(buf2));//清空缓存read(pipefd1[0],buf2,sizeof(buf2));printf("child=%s\n",buf2);}}return 0;
}

有名管道

有名管道之所以叫“有名管道”，是因为它有文件名

不管是有名管道，还是无名管道，本质其实都是一样的:

管道都是内核所开辟的一段缓存空间。
---进程间通过管道通信时，本质上就是通过共享操作这段缓存来实现
---只不过操作这段缓存的方式，是以读写文件的形式来操作的。

有名管道的特点

1. 能够用于非亲缘进程之间的通信

   • 因为有文件名，所以进程可以直接调用open函数打开文件，从而得到文件描述符
   • 无名管道，必须在通过继承的方式才能获取到文件描述符

   有名管道通信:
   任何两个进程调用open函数打开同一个“有名管道”文件，然后对同一个“有名管道文件”进行读写操作，即可实现通信  A进程 —————————> 有名管道 ————————> B进程
   

2. 读管道时，如果管道没有数据的话，读操作同样会阻塞（休眠）

   就是等待数据的写入

3. 当进程写一个所有读端都被关闭了的管道时，进程会被内核返回SIGPIPE信号

   如果不想被该信号终止的话，我们需要忽略、捕获、屏蔽该信号

有名管道的使用

1. 进程调用mkfifo创建有名管道
2. open打开有名管道
3. read/write读写管道进行通信

• 对于通信的两个进程来说，创建管道时，只需要一个人创建，另一个直接使用即可

• 为了保证管道一定被创建，最好是两个进程都包含创建管道的代码，谁先运行就谁先创建

  后运行的发现管道已经创建好了，那就直接open打开使用

有名管道API

#include 
#include 
//创建有名管道文件，创建好后便可使用open打开
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
/*pathname：被创建管道文件的文件路径名mode：指定被创建时原始权限，一般为0664（110110100），三组读写权限创建新文件时，文件被创建时的真实权限=mode & (~umask)
*/
//返回值：成功返回0，失败则返回-1，并且errno被设置

• 如果是创建普通文件的话，我们可以使用open的O_CREAT选项来创建，比如：
  open(“./file”, O_RDWR|O_CREAT, 0664);
• 但是对于“有名管道”这种特殊文件，这里只能使用mkfifo函数来创建。

单向通信

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define FIFONAME "./fifo"
void print_err(char* str){perror(str);exit(-1);
}
int main(void){/*使用mkfifo创建管道文件*/int ret=0;ret=mkfifo(FIFONAME,0664);if(ret==-1) print_err("mkfifo fails\n");/*使用open打开管道文件*/int fd=-1;fd=open(FIFONAME,O_WRONLY);//只写打开if(fd==-1) print_err("open fails\n");/*从键盘获取*/char buf[100]={0};while(1){bzero(buf,sizeof(buf));scanf("%s",buf);write(fd,buf,sizeof(buf));}
}

用于写的管道

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define FIFONAME "./fifo"
void print_err(char* str){perror(str);exit(-1);
}
//封装创建管道+打开管道
int create_open_fifo(char *fifoname,int open_mode){int ret=0;int fd=-1;ret=mkfifo(FIFONAME,0664);if(ret==-1 && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fails\n");/*使用open打开管道文件*/fd=open(FIFONAME,open_mode);//以只写方式打开if(fd==-1) print_err("open fails\n");return fd;
}
/*信号捕获，通信结束，删除管道文件，退出进程*/
void signal_fun(int signo){//unlink()remove(FIFONAME);exit(-1);
}
int main(void){signal(SIGINT,signal_fun);//捕获：必须在create_open_fife前/*因为读端堵塞，以只写方式打开*/int fd=create_open_fifo(FIFONAME,O_WRONLY);while(1){char buf[30]={0};bzero(buf,sizeof(buf));scanf("%s",buf);write(fd,buf,sizeof(buf));}}

用于读的管道

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define FIFONAME "./fifo"
void print_err(char* str){perror(str);exit(-1);
}
//封装创建管道+打开管道
int create_open_fifo(char *fifoname,int open_mode){int ret=0;int fd=-1;ret=mkfifo(FIFONAME,0664);if(ret==-1 && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fails\n");/*使用open打开管道文件*/fd=open(FIFONAME,open_mode);//以只写方式打开if(fd==-1) print_err("open fails\n");return fd;
}
/*信号捕获，通信结束，删除管道文件，退出进程*/
void signal_fun(int signo){//unlink()remove(FIFONAME);exit(-1);
}
int main(void){signal(SIGINT,signal_fun);//捕获：必须在create_open_fife前/*因为读端堵塞，以只读方式打开*/int fd=create_open_fifo(FIFONAME,O_RDONLY);char buf[30]={0};while(1){bzero(buf,sizeof(buf));read(fd,buf,sizeof(buf));printf("buf=%s\n",buf);}}

双向通信

• 同样的，使用一个“有名管道”是无法实现双向通信的，因为也涉及到抢数据的问题。
• 所以双向通信时需要两个管道

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"
void print_err(char* str){perror(str);exit(-1);
}
/*封装创建管道+打开管道*/
int create_open_fifo(char *fifoname,int open_mode){int ret=0;int fd=-1;ret=mkfifo(fifoname,0664);if(ret==-1 && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fails\n");//使用open打开管道文件fd=open(fifoname,open_mode);if(fd==-1) print_err("open fails\n");return fd;
}
/*信号捕获，通信结束，删除管道文件，退出进程*/
void signal_fun(int signo){remove(FIFONAME1);remove(FIFONAME2);exit(-1);
}
int main(void){int fd1=-1;int fd2=-1;//fd1管道去写，fd2管道去读fd1=create_open_fifo(FIFONAME1,O_WRONLY);fd2=create_open_fifo(FIFONAME2,O_RDONLY);char buf[30]={0};int ret=fork();if(ret>0){//父进程管道2只读signal(SIGINT,signal_fun);while(1){bzero(buf,sizeof(buf));read(fd2,buf,sizeof(buf));printf("从管道2读出的数据：%s\n",buf);}}else if(ret==0){//子进程管道1只写while (1){bzero(buf,sizeof(buf));scanf("%s",buf);write(fd1,buf,sizeof(buf));}}}

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"
void print_err(char* str){perror(str);exit(-1);
}
/*封装创建管道+打开管道*/
int create_open_fifo(char *fifoname,int open_mode){int ret=0;int fd=-1;ret=mkfifo(fifoname,0664);if(ret==-1 && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fails\n");//使用open打开管道文件fd=open(fifoname,open_mode);if(fd==-1) print_err("open fails\n");return fd;
}
/*信号捕获，通信结束，删除管道文件，退出进程*/
void signal_fun(int signo){remove(FIFONAME1);remove(FIFONAME2);exit(-1);
}
int main(void){int fd1=create_open_fifo(FIFONAME1,O_RDONLY);int fd2=create_open_fifo(FIFONAME2,O_WRONLY);char buf[30]={0};int ret=fork();if(ret>0){//父进程从管道2只写signal(SIGINT,signal_fun);while(1){bzero(buf,sizeof(buf));scanf("%s",buf);write(fd2,buf,sizeof(buf));}}//子进程从管道1只读else if(ret==0){while(1){bzero(buf,sizeof(buf));read(fd1,buf,sizeof(buf));printf("从管道1读出数据：%s\n",buf);}}
}

什么时候使用有名管道

当两个进程需要通信时，不管是亲缘的还是非亲缘的，我们都可以使用有名管道来通信。