当前位置：首页 > news >正文

[Linux]进程间通信-管道

news 来源：原创 2025/7/6 12:03:35

1. 进程间通信

2.父子进程之间的通信

3.匿名管道

匿名管道的创建

管道读写的情况

管道的5种特性

4.命名管道

指令级

命名管道原理

代码级

读取端

1. 进程间通信

当我们有两个进程操作数据库的时候，一个进程负责写入操作，一个进程负责读取操作，如果没有写入完成就进行读取了，那么就会出现数据不一致等问题。亦或者多个进程同时完成一项任务的时候，需要按照某种顺序进行执行的情况等等，这些都需要进程之间进行沟通，所以说采用了进程间通信的机制。

进程间通信就是可以让不同的进程之间可以进行数据传输、资源共享、事件通知以及进程控制等操作，本质上来说就是让不同的进程可以看到同一份资源。这一份资源通常是由操作系统来提供的。

2.父子进程之间的通信

当一个进程创建子进程的时候，会为子进程创建进程PCB，并创建虚拟地址空间、进行页表的映射处理。但是对于管理文件的struct file_struct结构体是浅拷贝，那么也就是说，父子进程的文件描述符表是共用的，当进行修改的时候，会发生写时拷贝操作。但是无论如何，文件描述符表里的内容在修改之前是一样的，所以说父进程文件描述符对应的文件和子进程的是一样的，所以说相当于父子进程就可以看到同一份资源了。

其实子进程可以说大多数的指针指向的内容的拷贝都属于是浅拷贝，在不修改的时候都是和父进程共用一份资源的，页表也是如此，如果不修改页表的前提下，就没有必要在为子进程单独创建一个页表了，而且页表是采用的分级结构的，当需要修改的时候，为修改的部分单独创建一个第二层映射关系；而子进程则只需要创建一个第一层的页表，然后修改第一层页表中改变部分的指向就可以了。

那么如何进行通信呢？父进程可以分别通过读和写的方式打开同一个文件，那么就会产生两个文件描述符，假设3为读取，4为写入。那么创建子进程后，子进程会继承父进程的文件描述符表，也就会看到3和4号文件描述符，那么父进程关闭3号文件描述符，子进程关闭4号文件描述符有，这样的话，就变成了一个单向通道了，父进程负责写入，子进程负责接收数据。这样就实现了父子进程之间的进程通信了。如图所示：

一个进程以不同的方式打开同一个文件时，会产生多个文件描述符对应多个struct file结构体，这里是不可以合并的，因为是以不同的方式打开的，所以对于文件的操作不同，而struct file结构体就记录了如何操作该文件，所以说必须创建多个。但是多个struct file结构体对应指向的文件是相同的一个。（同一个inode、同一个方法集等）同时创建多个struct file也可以配合引用计数的机制，引用计数通过统计有多少个struct file结构体指向该文件，防止关闭了一个文件描述符，但是其他文件描述符还指向该文件的情况下将文件关闭了，或者说父子进程同时指向该文件时，一次关闭文件描述符就将该文件关闭了。

引用计数也使得进程管理和文件管理进行解耦了，进程不需要关心什么时候关闭文件，当引用计数减少到0的时候，操作系统会自动关闭该文件。

如果说想让父子都可以进行读写操作的话，建立两个这样的文件逻辑就可以了。

3.匿名管道

管道文件时内存级别的文件，而且和上述操作一样，只能进行单向通信。管道和上述提供的文件一样，都是属于一块父子进程都可以访问到的公共资源空间，父子进程通过该空间就实现了通信的逻辑。只不过管道是由操作系统帮我们创建的一块临时的空间而已。

匿名管道的创建

int pipe(int fd[2])；头文件 <unistd.h>

该函数成功的时候返回0，失败返回-1，同时错误码被设置。fd属于输入输出型参数，返回的fd[0]表述读端，fd[1]表示写端。

在命令行中，我们使用的 ‘ | ’ 就是匿名管道。例如ls -al | grep "a.out"，就是将ls命令显示的数据重定向输出到管道文件中，grep指令输入重定向从管道文件中取出数据。

管道读写的情况

（1）当管道中没有数据的时候，读端会等待，直到由数据为止。

（2）如果管道被写满了，读端也没有进行读取的话，写端在写入的时候就会等待，直到有空间写入为止。

（3）读端关闭的情况，写端还进行写入的话，操作系统会像写端进程发送SICPIPE13号信号杀死进程。但是这样往往是不合理的，可以使用信号处理函数改变信号默认处理策略，而不是直接杀死进程

（4）写端关闭的话，无论是阻塞读取还是非阻塞读取，read函数在读取完缓冲区的数据后，都会返回0，表示对端关闭了。

管道的5种特性

匿名管道用于具有血缘关系的进程之间进行进程间的通信，常用于父子进程；匿名管道默认是给读写两端提供了同步机制（上述的前两点）；面向的是字节流；管道的生命周期是跟随进程的；半双工通信（单向通信）。

4.命名管道

命名管道与匿名管道最大的区别在于命名管道可以让两个无关系的进程之间进行通信，而匿名管道只能应用于父子或有血缘关系的进程之间进行通信。命名管道是一类特殊的文件类型，他也是一种文件，像普通文件一样可以被多个进程打开和操作，在打开的时候，操作系统也要为其创建struct file结构体映射到文件描述符表中等各种操作。

指令级

mkfifo filename指令

上述说了命名管道就是一种特殊的文件，所以说可以通过路径和文件名的方式在任何地方去访问该文件，利用该文件进行进程之间的通信。下面就是一个进程之间通信的例子，使用了echo和cat进程指令：

但是当我们操作的时候会发现，在使用cat读取管道文件内容之前，echo指令会卡在原地，没有真正的写入到命名管道文件当中，我们查看管道文件也会发现大小为0。这是为什么呢？因为命令管道主要的目的是进程之间的传递信息，而不是像普通文件一样为了将数据存放到磁盘当中，他的数据传递主要是基于进程之间的同步机制的。

echo操作时，会将字符串发送到命名管道的写入端，但是，由于命令管道的同步特性，如果没有进程在读取端准备接收数据时，数据就会暂时停留在管道的缓冲区中，也就是echo进程的命名管道文件struct file结构体关联的文件缓冲区当中。而当cat指令执行的时候，读取端就做好了准备，所以触发了命名管道的读取操作，此时，echo才会真正的将数据从文件缓冲区中写入命名管道文件当中。

命名管道原理

原理上其实根匿名管道类型，匿名管道这一公共资源区域是由操作系统创建和完成的。而命名管道是我们自己创建的。底层上和打开文件一样，打开命名管道文件，为该文件创建struct file结构体，映射到文件描述符表中。然后两个进程同时打开的该命名管道文件的话，两个进程就可以通过各自的struct file看到该管道文件了。通过该管道文件就可以实现进程之间的通信了。

其实这个底层操作和上述说的父子进程之间的同意基本一致，最主要的区别是管道文件是专门用于进程之间通信的，提供了同步的机制，而普通文件是没有这种机制的。还有一个就是在命名管道的通信是在命名管道的文件缓冲区中，而并非是在写入和读取命名管道。

struct file内部记录了该进程对于该文件的处理方式，所以会有多个指向同一个文件，但是对于打开的文件，操作系统只需要维护一份就够了，操作系统会将打开的文件用先描述再组织的方式管理起来，每个结构体内部记录文件的属性和各种字段，同时还由文件的缓冲区等内容。

由上图也可以看出来，其实两个进程并非是直接关联的命名管道，而是关联的命名管道的缓冲区，两者进行数据沟通也是在缓冲区内部进行的。

代码级

int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode);

在代码中也是一样的，一个进程打开命名管道之后，会进行等待，直到读写端都打开了之后，才会继续往下运行。

读取端

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>#define PIPE_FILE "pipe_file"void CreatePipeFile()
{//创建命名管道文件mkfifo(PIPE_FILE, 0666);
}int main()
{//以读的方式打开管道文件，如果不存在就创建命名管道int fd = -1;while(1){fd = open(PIPE_FILE, O_RDONLY);if(fd < 0){CreatePipeFile();}else{break;}}//读取内容while(1){char buffer[1024];int ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);//读取出错if(ret < 0){return -1;}//对端关闭了写操作else if(ret == 0){std::cout << "write server is close" << std::endl;return 0;}//输出读取内容else{buffer[ret] = '\0';std::cout << buffer << std::endl;}}close(fd);return 0;
}

写入端

#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>#define PIPE_FILE "pipe_file"int main()
{//以写的形式打开文件int fd = open(PIPE_FILE, O_WRONLY);//向管道文件中写入数据while(1){char input[1024];std::cin >> input;int n = write(fd, input, strlen(input));if(n < 0){return -1;}}close(fd);return 0;
}

1. 进程间通信

2.父子进程之间的通信

3.匿名管道

匿名管道的创建

管道读写的情况

管道的5种特性

4.命名管道

指令级

命名管道原理

代码级

读取端

相关文章：