IPC之---管道

进程间通信———管道

什么是进程间通信

进程间通信（IPC，Interprocess communication）是一组编程接口，让程序员能够协调不同的进程，使之能在一个操作系统里同时运行，并相互传递、交换信息。这使得一个程序能够在同一时间里处理许多用户的要求。因为即使只有一个用户发出要求，也可能导致一个操作系统中多个进程的运行，进程之间必须互相通话。举个例子来说，也就是说用一些方法让两个本来不能见面的人见面。IPC接口就提供了这种可能性。那么不同进程之间存在着什么双方都可以访问的介质呢？进程的用户空间是互相独立的，一般而言是不能互相访问的，唯一的例外是共享内存区。另外，系统空间是“公共场所”，各进程均可以访问，所以内核也可以提供这样的条件。下面一副图来说明进程间的通信。

进程间通信的方法：主要包括管道, 系统IPC（包括消息队列,信号,共享存储), 套接字(SOCKET).（下面主要介绍管道，匿名管道和命名管道）

管道包括以下三种：

<1>普通管道PIPE,特点就是：

1.单向通信。
2.只有在具有亲缘关系的进程间通信（父子，兄弟）。
3.具有同步机制。（写什么，读什么）
4.他是一种面向字节流的通信服务。
5.生命周期随进程（也就是说，当与之相关的进程退出时，管道内申请的空间不管有没有释放系统都会释放它；就是说只要进程退出了，管道也就随之退出。比如，在管道中申请了堆空间，只申请不释放，当管道关闭，也就是进程退出了，系统就会自动是放那些空间。）

<2>流管道s_pipe: 特点：可以双向传输.其它与普通管道相同。
<3>命名管道:name_pipe,可以在许多并不相关的进程之间进行通讯.其它与普通管道相同。

匿名管道

由pipe函数创建

#include<stdio.h>
int pipe(int fileds[2]);

调用pipe函数时在内存中开辟一块缓冲区（就称为管道），用于通信，它有一个读端和一个写端，通过函数参数传给用户程序两个文件描述符，fileds[0]指向管道的读端，fileds[1]指向管道的写端。（方便记忆就可以理解为，标准输入0，标准输出1）看起来管道就像是一个打开的文件，
通过read（fileds[0]）,和write（fileds[1]）往里面写和读， 从上面的图我们可以看出，也就是在读写内核缓冲区。
pipe函数创建管道成功返回0，失败返回-1。

那么管道创建好了，它到底是怎么进行通信的呢？下面先用图片来说明一下。

#include<stdio.h>
 #include<unistd.h>
 #include<errno.h>
 #include<string.h>
 int main()
 {
     int _pipe[2];//定义参数
     int ret = pipe(_pipe);
     if(ret==-1)//创建管道失败
     {
         printf("creat pipe error!errno code is :%d
",errno);//错误码
         return 1;//返回值，这样你就会知道到底是哪里出现了错误
     }
     pid_t id = fork();
     if(id<0)//创建子进程失败
     {
         printf("fork error!");
         return 2;
     }
     else if(id==0)
     {
         //child
         close(_pipe[0]);//关闭读端
         int i = 0;
         char *_mesg = NULL;
         while(i<100)
         {
             _mesg = "I am child!";
             write(_pipe[1],_mesg,strlen(_mesg)+1);//xie
             sleep(1);
             i++;
         }
     }
     else
     {
         //father
         close(_pipe[1]);//关闭写端
         char _mesg_c[100];
         int j = 0;
         while(j<100)
         {
             memset(_mesg_c,'',sizeof(_mesg_c));
             read(_pipe[0],_mesg_c,sizeof(_mesg_c));
             printf("%s
",_mesg_c);
             j++;
         }
     }
 }

运行结果如下图

这样就实现了进程间通信。（单向通信）父进程读，子进程写。
使用管道需要注意以下四种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）
1. 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了，（管道写端的引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读取数据，那么管道中剩余的数据都被读取之后，再次read将会返回0，就像读到文件结尾一样。也就是说，写端不会写，读端读完之后就会再等着写端去写，但是写端关闭了啊，不会写了，所以就出现上面说的情况。这就体现出了管道的同步机制。
2. 如果有指向管道写端的文件描述符没有关闭，（管道写端的引用计数大于0）而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。通俗讲就是，读端读数据，一直读，但是写端不写了，而且写端并没有关闭，所以这时读端就会一直等着写端去写。这就造成了阻塞式等待。
3. 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端的引用计数为0），这时有进程向管道的写端写数据，那么该进程会收到SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。所以进程就会异常退出了。
4. 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端的引用计数大于0）而持有管道读端的进程也没有从管道中读取数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道写满时再写将会阻塞，直到管道中有了空位置才写入并返回，也就是管道的同步机制。

命名管道（FIFO）

命名管道(NamedPipe)是服务器进程和一个或多个客户进程之间通信的单向或双向管道。不同于匿名管道的是：命名管道可以在不相关的进程之间和不同计算机之间使用，服务器建立命名管道时给它指定一个名字，任何进程都可以通过该名字打开管道的另一端，根据给定的权限和服务器进程通信。而且，FIFO总是按照先进先出的原则工作，第一个被写入的数据首先从管道中读出。
命名管道的创建：

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
int mknod(const char*path,mode_t mod,dev_t dev);
int mkfifo(const char*path,mode_t mode);

函数参数中的path为创建的命名管道的路径名，mod为创建命名管道的模式，指明其存取权限，dev为设备值，该值文件创建的种类，它只在创建设备文件时才会用到。这两个函数带哦用成功返回0，失败都返回-1.线面用mknod函数创建一个命名管道

umask(0);//重置管道的存取权限
if(mknod("/tmp/fifo",S_IFIFO|0666)==-1)
{
    perror("mknod error");
    exit(1);
}
//函数mkfifo的使用代码
umask(0);
if(mkfifo("/tmp/fifo",S_IFIFO|0666)==-1 )
{
    perror("mkfifo error");
    exit(1);
}
//"S_IFIFO|0666"致命创建一个管道的存取权限为0666

命名管道的使用和匿名管道基本相同，只是在使用命名管道之前首先要使用open函数打开，因为命名管道是存在于硬盘上的文件，而管道是存在于内存中的特殊文件。
需要注意，使用open的几点：
1. 调用open（）打开命名管道可能会被阻塞，但是如果同时用读写方式（O_RDWR）打开，则一定不会造成阻塞。
2. 如果以制度方式（O_RDONLY）打开，则调用open（）函数的进程将会被阻塞直到有写才能打开管道。
3. 同样，以写方式（O_WRONLY）打开也会阻塞直到有读方式打开管道。

命名管道可以在不同的进程间通信，形象点讲就像我们平时使用的聊天工具一样，一个写一个读。下面用代码实现。

//client.c 也就是 管道的写端
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
int main()
{
    umask(0);
    if(mkfifo("./mypipe",0666 | S_IFIFO)<0)
    {
        perror("mkfifo error");
        return 1;
    }
    int fd = open("./mypipe",O_RDONLY);
    if(fd<0)
    {
        printf("open file error!
");
        return 2;
    }
    char buf[1024];
    while(1)
    {
        ssize_t ret = read(fd,buf,sizeof(buf)-1);
         if(ret>0)//error or end of file
             {
                 buf[ret] = 0;
                 printf("client say# %s
",buf);
             }
         else if(ret==0)
         {
             printf("client quit !server begin quit!
");
             break;
     }

   }
    close(fd);
    return 0;
}

//server.c 也就是管道的读端
#include<stdio.h>
 #include<sys/types.h>
 #include<sys/stat.h>
 #include<unistd.h>
 #include<fcntl.h>
 #include<string.h>
 int main()
 {
     int fd = open("./mypipe",O_WRONLY);
     if(fd<0)
     {
         printf("open file error!
");
         return 2;
     }
     char buf[1024];
     while(1)
     {
         printf("please enter # ");
         fflush(stdout);
         ssize_t ret = read(0,buf,sizeof(buf)-1);
          if(ret>0)
              {
                  buf[ret-1] = 0;
                  write(fd,buf,strlen(buf));
              }

    }
     close(fd);
     return 0;
 }

下面是运行结果

运行就可以看到实现了进程间的通信。