无名管道和有名管道

2023-10-13 22:29
文章标签 管道 有名 无名

本文主要是介绍无名管道和有名管道，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

进程间通信的几种方式

无名管道（pipe）

无名管道（Unnamed Pipe）是一种在进程间进行单向通信的机制。它可以用于父进程与子进程之间的通信，或者同一父进程中不同子进程之间的通信。无名管道是一种特殊的文件，它没有与之关联的文件名，只能用于具有亲缘关系的进程间通信。通过无名管道，一个进程可以将数据写入管道，另一个进程可以从管道中读取这些数据。无名管道具有固定大小，并且一端只能写入，另一端只能读取。通过这种方式，进程可以安全地在彼此之间传递数据，实现简单的进程间通信。

  • 单向通信，一端只能写入，另一端只能读取
  • 只能在有亲缘关系的进程间通信
  • 无名管道创建时会返回两个文件描述符，分别用于读写管道
  • 父进程读还是子进程读都可以，同理，父进程写还是子进程写都可以
  • 先进先出

原理：
是的，管道是一个先进先出的字节流，读取数据时会从管道中消耗数据，导致剩余数据减少。

当你使用read函数从管道中读取数据时，数据会被移出管道，并可以在读取缓冲区中使用。读取操作会将读取的数据从管道中移除，所以管道中的数据量会减少。

相反，当你使用write函数向管道中写入数据时，数据会被添加到管道中，增加管道中的数据量。

读写特性：

①读管道：

  1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。

  2. 管道中无数据：

(1) 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)

(2) 写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)

②写管道：

  1. 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)

  2. 管道读端没有全部关闭：

(1) 管道已满，write阻塞。（管道大小64K）

(2)管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

有名管道（fifo）

有名管道（Named Pipe）是一种通过文件系统中的路径名来标识的管道。与无名管道不同，有名管道可以由不相关的进程进行通信。有名管道在文件系统中有一个相关的文件路径，可以通过打开该路径来访问管道。
有名管道适用于需要在不相关的进程之间进行通信的情况，例如在不同的应用程序中进行数据交换。它可以实现进程间的数据传输，而不需要进程之间有亲缘关系。有名管道的使用类似于普通的文件操作，但是其读写操作具有特殊的机制，可以实现进程间的同步和通信。

  • 半双工
  • 有相关的文件路径，通过文件系统中的路径名来标识
  • 可以在不相关的进程之间进行通信
  • 先进先出
  • 文件 IO 操作有名管道
  • 不支持 leek 操作

信号（signal）

共享内存（mmap）

mmap（memory map）是一种操作系统提供的一种内存映射文件的机制。通过使用mmap，可以将一个文件或者其他设备的内容映射到进程的虚拟内存空间中，使得进程可以像访问内存一样来读取或者写入文件的内容。

使用mmap，可以避免频繁的系统调用，提高文件的访问效率。当进程首次访问映射区域时，操作系统会将文件的部分或者全部内容加载到内存中，并建立虚拟内存与实际文件之间的映射关系。此后，进程可以直接通过读写虚拟内存的方式来访问文件，操作系统会负责将虚拟内存的修改写回到文件中。

mmap除了用于文件的映射，还可以将其他设备（如硬件设备、网络套接字等）的内容映射到内存中，方便进程对这些设备的访问和操作。同时，mmap还可以用于进程间的内存共享，使得多个进程可以共享同一块内存区域，实现高效的数据交换和通信。

共享内存

使用mmap实现进程间的内存共享的原理如下：

  1. 内存映射：进程A打开或创建一个共享文件，并通过mmap函数将文件映射到它的虚拟内存空间中的一个区域。这个区域被称为映射区域。

  2. 页表映射：操作系统将映射区域与文件的物理存储区域建立映射关系，并更新该区域对应的页表项。此时，进程A可以通过读写映射区域的内存地址来读取或修改文件的内容。

  3. 进程B打开映射文件：进程B需要与进程A共享内存，它通过打开已经存在的映射文件，以同样的方式将文件映射到它的虚拟内存空间中的一个区域。

  4. 页表共享：虽然进程A和进程B都拥有各自的虚拟地址空间，但对于映射区域的页表项，它们指向同一个物理页（即映射文件对应的物理存储区域）。这样，两个进程可以通过各自的虚拟地址访问同一块物理内存。

  5. 内存访问：进程A或进程B可以使用普通的读写指令来访问映射区域，无需进行特殊的I/O操作。读取或修改的数据直接从操作系统缓存读取或写入映射的物理页中。

套接字

Socket套接字是一种用于网络通信的编程接口（API）。它提供了一种在不同主机之间进行数据传输的方法，并实现了网络通信的基本功能。

通过Socket套接字，程序可以创建一个网络连接，并使用TCP（传输控制协议）或UDP（用户数据报协议）等网络协议来发送和接收数据。套接字通常由IP地址和端口号组成，用于标识网络中的数据发送和接收的位置。

Socket套接字可以实现不同主机之间的通信，甚至可以在同一台主机的不同进程之间进行通信。它是面向连接的，可以在通信的两端进行数据交换，并提供了一些操作函数，如创建、绑定、监听、连接、发送和接收等，以便程序能够方便地实现网络通信。

通过Socket套接字，应用程序可以进行各种网络通信操作，如客户端和服务器之间的数据交互，远程过程调用(RPC)，实时流媒体传输，下载和上传文件等。Socket套接字已经成为网络编程中常用的工具，广泛应用于各种网络应用领域。

  • 是一个API，接口
  • 实现同一主机和不同主机之间的网络通信
  • 由IP地址和端口号组成

System V IPC（过时）

System V IPC（Inter-Process Communication）是一组用于实现进程间通信的机制和API，它是Unix和类Unix系统中常用的一种进程间通信方式。System V IPC提供了三种主要的通信方式：

  1. 消息队列（Message Queues）：消息队列是一种异步通信机制，它允许不同进程之间通过发送和接收消息进行通信。进程可以将消息发送到队列，并由其他进程从队列中获取。每个消息都有一个标识符和优先级，进程可以按优先级获取消息。

  2. 信号量（Semaphores）：信号量用于实现进程间的互斥和同步操作。它可以确保多个进程能够按照特定的顺序执行临界区操作，避免竞争条件和资源争用。信号量可以用于锁定共享资源，控制进程的访问权限。

  3. 共享内存（Shared Memory）：共享内存是一种高效的进程间通信方式，它允许多个进程共享同一块内存区域。进程可以直接访问共享内存，而无需复制数据，这样可以提高通信的效率。但同时也需要确保进程之间的并发访问是安全的，通常需要使用信号量等机制进行同步和互斥操作。

System V IPC提供了一组函数接口，如msgget、msgsnd、msgrcv（用于消息队列）、semget、semop（用于信号量）、shmget、shmat（用于共享内存），通过这些接口可以实现进程间的通信和同步操作。

需要注意的是，System V IPC是一种较为底层的通信方式，使用时需要开发者仔细处理进程同步、互斥和资源管理等问题。在现代操作系统中，一般会提供更高层次的进程间通信机制，如管道、套接字、RPC等，开发者可以根据具体需求选择合适的通信方式。

实现

无名管道创建

在C语言中，pipe 函数是一个用于创建管道的系统调用。管道是一种进程间通信的机制，它可以在一个进程中创建一个特殊的文件描述符，使其和另一个进程中的文件描述符相连接，从而实现两个进程之间的通信。

pipe 函数的原型如下：

#include <unistd.h>int pipe(int pipefd[2]);

pipefd 是一个由两个整型数组组成的参数，用于传递管道的读写文件描述符。在成功创建管道后，pipefd[0] 表示管道的读端，pipefd[1] 表示管道的写端。

下面是一个简单的示例，展示了如何使用 pipe 函数在父子进程之间进行通信：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {int pipefd[2];char buffer[30];pid_t pid;// 创建管道if (pipe(pipefd) == -1) {perror("pipe");return 1;}// 创建子进程pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");return 1;}if (pid == 0) {  // 子进程close(pipefd[1]);  // 关闭写端// 从管道读取数据read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));printf("子进程接收到消息: %s\n", buffer);close(pipefd[0]);  // 关闭读端} else {  // 父进程close(pipefd[0]);  // 关闭读端// 向管道写入数据write(pipefd[1], "Hello, child process!", 22);close(pipefd[1]);  // 关闭写端}return 0;
}

在上面的示例中，我们首先使用 pipe 函数创建了一个管道。然后，我们使用 fork 函数创建了一个子进程。在子进程中，我们关闭了管道的写端，然后从管道读取数据并打印出来。在父进程中，我们关闭了管道的读端，然后向管道写入数据。

有名管道创建

mkfifo是一个POSIX标准函数，用于创建有名管道（Named Pipe）。它的原型定义在头文件<sys/types.h>和<sys/stat.h>中。

函数原型：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

参数：

  • pathname：指定创建有名管道的路径名。
  • mode：指定创建有名管道的权限，通常使用八进制表示。

返回值：

  • 成功创建有名管道时，返回0。
  • 创建失败时，返回-1，并设置适当的错误码。

代码1：fifow.c ：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char *argv[])
{const char *path = "testpipe.c";mode_t mode = 0666;int fd;char buf[40] = { 0 };//建立有名管道if (mkfifo(path, mode) != 0){perror("mkfifo");}else{printf("create named pipe success!\n");}//以只写的方式打开管道文件fd = open(path, O_WRONLY);if (fd < 0){perror("open");}//从标准输入写东西到管道文件里while (1){fgets(buf, 40, stdin);write(fd, buf, strlen(buf));}return 0;
}

代码2：fifor.c：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char *argv[])
{const char *path = "testpipe.c";int fd;char buf[40] = { 0 };int re;//以只读的方式打开管道文件fd = open(path, O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open");}//读取 fifow.c 文件执行后输入的字符while (1){re = read(fd, buf, 40);if (re > 0){printf("read fifo = %s\n", buf);}//如果不加的话即便输入端ctrl+c了输出端仍会循环执行if (re == 0){exit(0);}}return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
运行效果就是在两个窗口分别执行两个 .c 文件，然后在输入端输入就会在输出端看到同步的输出。

注意事项：

  1. 程序不能以O_RDWR(读写)模式打开FIFO文件进行读写操作，而其行为也未明确定义，因为如一个管道以读/写方式打开，进程可以读回自己的输出，同时我们通常使用FIFO只是为了单向的数据传递

  2. 第二个参数中的选项O_NONBLOCK，选项O_NONBLOCK表示非阻塞，加上这个选项后，表示open调用是非阻塞的，如果没有这个选项，则表示open调用是阻塞的，如果是非阻塞的话那么程序不会等待 write 和 read 函数完全执行完就退出。

  3. 对于以只读方式（O_RDONLY）打开的FIFO文件，如果open调用是阻塞的（即第二个参数为O_RDONLY），除非有一个进程以写方式打开同一个FIFO，否则它不会返回；如果open调用是非阻塞的的（即第二个参数为O_RDONLY | O_NONBLOCK），则即使没有其他进程以写方式打开同一个FIFO文件，open调用将成功并立即返回。
    对于以只写方式（O_WRONLY）打开的FIFO文件，如果open调用是阻塞的（即第二个参数为O_WRONLY），open调用将被阻塞，直到有一个进程以只读方式打开同一个FIFO文件为止；如果open调用是非阻塞的（即第二个参数为O_WRONLY | O_NONBLOCK），open总会立即返回，但如果没有其他进程以只读方式打开同一个FIFO文件，open调用将返回-1，并且FIFO也不会被打开。

  4. 数据完整性，如果有多个进程写同一个管道，使用O_WRONLY方式打开管道，如果写入的数据长度小于等于PIPE_BUF（4K），那么或者写入全部字节，或者一个字节都不写入，系统就可以确保数据决不会交错在一起。

这篇关于无名管道和有名管道的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/206267。

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