TCP/IP网络编程之进程间通信

进程间通信基本概念

进程间通信意味着两个不同进程间可以交换数据，为了完成这一点，操作系统中应提供两个进程可以同时访问的内存空间。但我们知道，进程具有完全独立的内存结构，就连通过fork函数创建的子进程也不会和父进程共享内存，因此，进程间通信只能通过其他特殊方法完成

基于管道实现进程间通信

图1-1表示基于管道（PIPE）的进程间通信结构模型

图1-1   基于管道的进程间通信模型

从图1-1可以看到，为了完成进程间通信，需要创建管道。管道并非属于进程资源，而是和套接字一样，属于操作系统资源（也就不是fork函数的复制对象）。下面介绍创建管道函数

#include <unistd.h>
int pipe (int filedes[2]);//成功时返回0，失败时返回-1

　　

• filedes[0]：通过管道接收数据时使用的文件描述符，即管道出口
• filedes[1]：通过管道传输数据时使用的文件描述符，即管道入口

以长度为2的int数组地址值作为参数调用上述函数时，数组中存有两个文件描述符，它们将被用作管道的出口和入口。父进程调用该函数时将创建管道，同时获取对应于出入口的文件描述符，此时父进程可以读写同一管道。但父进程的目的是与子进程进行数据交换，因此需要将入口和出口中的一个文件描述符传递给子进程，如何完成传递呢？答案还是调用fork函数

pipe1.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fds[2];
    char str[] = "Who are you?";
    char buf[BUF_SIZE];
    pid_t pid;

    pipe(fds);
    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        write(fds[1], str, sizeof(str));
    }
    else
    {
        read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
        puts(buf);
    }
    return 0;
}

　　

• 第12行：调用pipe函数创建管道，fds数组中保存用于I/O的文件描述符
• 第13行：接着调用fork函数，子进程将同时拥有通过12行函数调用获取的两个文件描述符。注意！复制的并非管道，而是用于管道I/O的文件描述符。至此，父子进程同时拥有I/O文件描述符
• 第16、20行：子进程通过第16行代码向管道传递字符串，父进程通过第20行代码从管道接收字符串

编译pipe1.c并运行

# gcc pipe1.c -o pipe1
# ./pipe1 
Who are you?

　　

上述示例中的通信方法及路径如图1-2所示，重点在于，父子进程都可以访问管道的I/O路径，但子进程仅用输入路径，父进程仅用输出路径

图1-2   示例pipe1.c的通信路径

以上就是管道的基本原理及通信方法，应用管道时还有一部分内容需要注意，通过双向通信示例进一步说明

通过管道进行进程间双向通信

下面创建两个进程通过一个管道进行双向数据交换的示例，其通信方式如图1-3所示

图1-3   双向通信模型1

从图1-3可以看出，通过一个管道可以进行双向通信，但采用这种模型需格外小心，先给出示例，稍后再讨论

pipe2.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fds[2];
    char str1[] = "Who are you?";
    char str2[] = "Thank you for your message";
    char buf[BUF_SIZE];
    pid_t pid;

    pipe(fds);
    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        write(fds[1], str1, sizeof(str1));
        sleep(2);
        read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
        printf("Child proc output: %s 
", buf);
    }
    else
    {
        read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
        printf("Parent proc output: %s 
", buf);
        write(fds[1], str2, sizeof(str2));
        sleep(3);
    }
    return 0;
}

　　

• 第17~20行：子进程运行区域，通过第17行行传输数据，通过第19行接收数据。第18行的sleep函数至关重要，这一点稍后再讨论
• 第24~26行：父进程的运行区域，通过第24行接收数据，这是为了接收第17行子进程传输的数据。另外通过第26行传输数据，这些数据将被第19行的子进程接收
• 第27行：父进程先终止时会弹出命令提示符，这时子进程仍然在工作，故不会产生问题。这条语句主要是为了防止子进程终止前弹出命令提示符（故可删除）

编译pipe2.c并运行 

# gcc pipe2.c -o pipe2
# ./pipe2 
Parent proc output: Who are you? 
Child proc output: Thank you for your message

　　

 运行结果和我们设想一致，不过如果尝试将18行的代码注释后再运行，虽然这行代码只将运行时间延迟了两秒，但一旦注释便会引发错误，是什么原因呢？

向管道传递数据时，先读的进程会把数据取走。简言之，数据进入管道后成为无主数据，也就是通过read函数先读取数据的进程将得到数据，即使该进程将数据传到了管道。因此，注释第18行将产生问题，在第19行，子进程将读回自己在第17行向管道发送的数据。结果父进程调用read函数后将无限期等待数据进入管道

从上述示例可以看到，只用一个管道进行双向通信并非易事，为了简化在进行双向通信时，既然一个管道很难完成的任务，不如就让两个管道来一起完成？因此创建两个管道，各自负责不同的数据流动即可。其过程如图1-4所示

图1-4   双向通信模型2

由图1-4可知，使用两个管道可以解决单单通过一个管道来进行双向通信的麻烦，下面采用上述模型来改进pipe2.c

pipe3.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fds1[2], fds2[2];
    char str1[] = "Who are you?";
    char str2[] = "Thank you for your message";
    char buf[BUF_SIZE];
    pid_t pid;

    pipe(fds1), pipe(fds2);
    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        write(fds1[1], str1, sizeof(str1));
        read(fds2[0], buf, BUF_SIZE);
        printf("Child proc output: %s 
", buf);
    }
    else
    {
        read(fds1[0], buf, BUF_SIZE);
        printf("Parent proc output: %s 
", buf);
        write(fds2[1], str2, sizeof(str2));
        sleep(3);
    }
    return 0;
}

　　

• 第13行：创建两个管道
• 第17、33行：子进程可以通过数组fds1指向的管道向父进程传输数据
• 第18、25行：父进程可以通过数组fds2指向的管道向子进程传输数据
• 第26行：没有太大的意义，只是为了延迟父进程终止的插入的代码

编译pipe3.c并运行 

# gcc pipe3.c -o pipe3
# ./pipe3 
Parent proc output: Who are you? 
Child proc output: Thank you for your message 

　　

运用进程间通信

上一节学习了基于管道的进程间通信方法，接下来将其运用到网络代码中。如前所述，进程间通信与创建服务端并没有直接关联，但有助于理解操作系统

保存消息的回声服务端

扩展TCP/IP网络编程之多进程服务端（二）这一章的echo_mpserv.c，添加将回声客户端传输的字符串按序保存到文件中。我们可以将这个任务交给另外的进程，换言之，另行创建进程，从向客户端服务的进程字符串信息。当然，该过程需要创建用于接收数据的管道

下面给出示例，该示例可以与任意回声客户端配合运行，我们将用之前介绍过的echo_mpserv.c

echo_storeserv.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 100
void error_handling(char *message);
void read_childproc(int sig);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    int fds[2];

    pid_t pid;
    struct sigaction act;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, state;
    char buf[BUF_SIZE];
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <port>
", argv[0]);
        exit(1);
    }

    act.sa_handler = read_childproc;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    state = sigaction(SIGCHLD, &act, 0);

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    pipe(fds);
    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        FILE *fp = fopen("echomsg.txt", "wt");
        char msgbuf[BUF_SIZE];
        int i, len;

        for (i = 0; i < 10; i++)
        {
            len = read(fds[0], msgbuf, BUF_SIZE);
            fwrite((void *)msgbuf, 1, len, fp);
        }
        fclose(fp);
        return 0;
    }

    while (1)
    {
        adr_sz = sizeof(clnt_adr);
        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
        if (clnt_sock == -1)
            continue;
        else
            puts("new client connected...");

        pid = fork();
        if (pid == 0)
        {
            close(serv_sock);
            while ((str_len = read(clnt_sock, buf, BUF_SIZE)) != 0)
            {
                write(clnt_sock, buf, str_len);
                write(fds[1], buf, str_len);
            }

            close(clnt_sock);
            puts("client disconnected...");
            return 0;
        }
        else
            close(clnt_sock);
    }
    close(serv_sock);
    return 0;
}

void read_childproc(int sig)
{
    pid_t pid;
    int status;
    pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
    printf("removed proc id: %d 
", pid);
}
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('
', stderr);
    exit(1);
}

　　　　

• 第47、48行：第47行创建管道，第48行创建负责保存文件的进程
• 第49~62行：第49行创建的子进程运行区域，该区域从管道出口fds[0]读取数据并保存到文件中。另外，上述服务端并不终止运行，而是不断向客户端提供服务。因此，数据在文件中累计到一定程序即关闭文件，该过程通过第55行的循环完成
• 第80行：第73行通过fork函数创建的所有子进程将复制第47行创建的管道的文件描述符，因此，可以通过管道入口fds[1]传递字符串信息

编译echo_storeserv.c并运行

# gcc echo_storeserv.c -o echo_storeserv
# ./echo_storeserv 8500
new client connected...
new client connected...
client disconnected...
removed proc id: 8647 
removed proc id: 8633 
client disconnected...
removed proc id: 8644 

　　

运行结果echo_mpclient ONE：

# ./echo_mpclient 127.0.0.1 8500
Hello world!
Message from server: Hello world!
Hello Amy!
Message from server: Hello Amy!
Hello Tom!
Message from server: Hello Tom!
Hello Jack!
Message from server: Hello Jack!
Hello Rose!
Message from server: Hello Rose!
q

　　

运行结果echo_mpclient TWO：

# ./echo_mpclient 127.0.0.1 8500
Hello Java!
Message from server: Hello Java!
Hello Python!
Message from server: Hello Python!
Hello Golang!
Message from server: Hello Golang!
Hello Spring!
Message from server: Hello Spring!
Hello Flask!
Message from server: Hello Flask!
q

　　

打印echomsg.txt文件

# cat echomsg.txt 
Hello world!
Hello Amy!
Hello Java!
Hello Python!
Hello Tom!
Hello Jack!
Hello Rose!
Hello Golang!
Hello Spring!
Hello Flask!

　　

如上运行结果所示，启动多个客户端向服务端传输数据时，文件中累计一定数量的字符串后（共调用十次fwrite函数），可以打开echomsg.txt存入字符串