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12【进程间通信——管道】

news 2025/7/2 9:58:50

1 IPC是什么 & 为什么要通信

1.1 什么是进程间通信

进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）是指两个或多个进程之间实现数据层面的交互。由于进程的天然独立性，通信的成本相对较高。

1.2 既然成本高为什么还要通信

因为很多场景下，进程之间必须协同工作，例如：

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样的资源
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（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另一个进程的所有缺陷和异常，并能够及时知道它的状态改变

1.3 通信的本质：共享一块资源

进程间通信的核心问题是：如何让两个进程看到同一块“资源”

这块资源为什么不能由其中一个进程来提供？——> 因为这样会破坏进程独立性，这块资源必须由操作系统提供！！！

本质上进程在访问 IPC，就是在访问操作系统，因为操作系统不信任用户进程，所以通信的整个生命周期 —— 创建、读写、释放 ——都必须通过系统调用接口来完成！

1.4 通信方式的分类

类型	方式	说明
基于文件的通信	匿名管道、命名管道	最基础、最常见的通信方式
System V IPC	消息队列、共享内存、信号量	较老但仍在广泛使用的传统机制
POSIX IPC	消息队列、共享内存、信号量、互斥量、条件变量、读写锁	接口更标准、更现代化、更易用

2 管道文件

2.1 管道的原理

我们知道，一个文件可以被多个进程同时打开，这就具备了“公共资源”的特性。理论上，一个进程写、另一个进程读，就可以实现进程间通信。

但是，如果我们用普通文件作为通信媒介，数据必须写入外设（如磁盘），这将带来严重的效率问题！

于是，出现了“内存级文件”的概念——它像文件一样出现在文件系统中，但实际上只存在于内存，不会被刷写到磁盘。这类文件就是我们所说的：管道（pipe）。

管道本质上是一种内核缓冲区（内存空间），通过“文件接口”封装出来，用户进程可以读写它，但数据只存在于内存中，从而避免频繁访问外设，提高通信效率。

2.2 匿名管道

问题1：为什么要用“父子进程”？
在 Linux 中，子进程通过 fork() 从父进程复制而来，它会自动继承父进程的文件描述符表（fd表）。这就为“共享一块通信资源”提供了最简单的实现路径。

问题2：为什么不能用 open() 打开一个普通文件作为通信通道

open()打开的是真实存在于磁盘上的文件，会有刷盘动作
普通文件不能只存在于内存中
操作系统无法区分你是“为了存储”还是“为了通信”

所以 Linux 提供了专门的接口 pipe()，用于创建一个匿名管道（内存级文件）

匿名管道的特点：

用 pipe(int fd[2]) 创建，会自动生成两个文件描述符：
- fd[0]: 读端（只读权限）
- fd[1]: 写端（只写权限）
是单向通信通道，默认不支持读写共用
管道没有路径，不存在于磁盘中，只存在于内核内存
通常在 fork() 之后，将一个端口交给子进程，一个端口保留在父进程，实现通信

直接看代码

#include <iostream>
#include <unistd.h>#define N 2using namespace std;int main()
{int pipefd[N] = {0};int n = pipe(pipefd);if(n < 0) return 1;cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << ", pipefd[1]: " << pipefd[1] << endl;// VScode里面快速注释是ctrl + /// pipefd[0]: 3, pipefd[1]: 4return 0;
}

makefile文件

testPipe:testPipe.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:rm -f testPipe

main.c文件：

#include <iostream>
#include <unistd.h>    // pipe 、close、fork、write的头文件
#include <stdlib.h>    // exit 的头文件
#include <string.h>    // 字符串的头文件
#include <stdio.h>     // snprintf的头文件
#include <sys/types.h> // wait的头文件
#include <sys/wait.h>#define N 2
#define NUM 1024using namespace std;// child
void Writer(int wfd)
{string s = "hello, I am child";pid_t self = getpid();int number = 0;char buffer[NUM];   // 定义的缓冲区while(true){// 构建发送字符串buffer[0] = 0;  // 字符串清空，提醒阅读代码的人，我把这个数组当字符串了// int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...);// 向哪个字符串写，写多大，什么形式写进去// s.c_str()：将 std::string 转为 C 风格字符串（const char*）snprintf(buffer, sizeof(buffer),"%s-%d-%d", s.c_str(), self, number++);// cout << buffer << endl;// 发送/写入给父进程    man 2 write 查2号手册write// ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);write(wfd, buffer, strlen(buffer));   // 这里不加一，\0不需要往里面写入sleep(1);}
}// father
void Reader(int rfd)
{char buffer[NUM];while(true){buffer[0] = 0;// ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);  查2号手册 man 2 readssize_t n = read(rfd, buffer, sizeof(buffer));if(n > 0){buffer[n] = 0;   // 我是当字符串用，必须\0结尾，这里0等于 '\0'cout << "father get a message[" << getpid() << "]# " << buffer << endl;}}
}int main()
{int pipefd[N] = {0};int n = pipe(pipefd);if(n < 0) return 1;// cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << ", pipefd[1]: " << pipefd[1] << endl;pid_t id = fork();if(id < 0) return 2;// chile -> w  father -> rif(id == 0){// 子进程close(pipefd[0]);// IPC codeWriter(pipefd[1]);// 写完后，写窗口也要关掉close(pipefd[1]);exit(0);  // 子进程写完后退出}// fatherclose(pipefd[1]);// IPC codeReader(pipefd[0]);pid_t rid = waitpid(id, nullptr, 0);  // 回收子进程if(rid < 0) return 3;// 读完成后，读窗口也关闭close(pipefd[0]);return 0;
}

在这里插入图片描述

2.3 匿名管道的特征

血缘关系限定：只能用于父子（或兄弟）进程通信
单向通信：一个管道只能实现单向流动；要双向通信需建立两个管道
进程协同机制：Linux 自动实现同步和互斥，保证管道数据安全
字节流特性：管道是面向字节流的，系统不关心你写了几次，它只看缓冲区里的字节
原子性写入保证：系统会确保在写入量不超过 PIPE_BUF 时，父进程不会来读
生命周期与进程绑定：匿名管道与进程生命周期一致，进程退出后管道自动销毁。

2.4 管道中的四种关键状态

情况	描述
① 读写正常，管道空	读端阻塞，防止读到无效数据
② 读写正常，管道满	写端阻塞，防止数据覆盖
③ 写端关闭，读端读	读到返回值为 0，代表 EOF，不阻塞
④ 读端关闭，写端写	写操作被操作系统发送 `SIGPIPE` 信号终止