【Linux】进程间通信之匿名管道

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一、进程间通信介绍 1.1 是什么

进程间通信IPC（Inter-Process Communication）就是两个或多个进程实现数据层面的交互。

1.2 为什么（目的） 1.3 怎么做到的（浅聊） 1.4 进程间通信的实现方式

二、什么是管道

在Linux中，管道可以被视为一种特殊类型的文件，它是基于文件级别的通信方式。它使得一个进程的输出可以直接成为另一个进程的输入，从而实现了进程之间的数据传输和协作。在Linux中，你可以使用管道符号 |将一个进程的输出发送到另一个进程的输入。

其中，当cat命令和wc命令运行起来后就是两个进程，cat进程通过标准输出将数据传输到管道当中，wc进程再通过标准输入从管道当中读取数据，至此便完成了两个进程间通信。

在Linux中，有两种类型的管道，一种是匿名管道（Anonymous Pipe），另一种是命名管道（Named Pipe）。因此，这篇博客重点是要解释匿名的工作原理等方面。（命名管道在下一篇博客讲解）

三、匿名管道 3.1 匿名管道的工作原理

不知道大家有没有好奇：进程通信时每次都要向文件中读取数据，而文件是存储在磁盘上的，这不会导致效率非常低吗？如果效率非常低的话，Linux为什么还要开发出管道符号|呢？因此，我们必须要知道匿名管道的工作原理。

进程间通信的本质：让不同的进程看到同一份资源。因此，使用匿名管道实现父子进程间通信的原理就是：让两个父子进程先看到同一份被打开的文件资源，然后父子进程就可以对该文件进行写入或是读取操作，进而实现父子进程间通信。

学习到现在，我们都清楚（复习）：

回归正题：

此时fork创建子进程，操作系统会以父进程为模板，为子进程创建新的进程控制块task_struct、files_struct等。但并不会复制父进程打开的文件对象 struct file，因为文件操作通常是在用户空间的，与进程无关；而子进程会拷贝父进程的文件描述符表 files_struct，这是因为文件描述符表是进程的一部分，它记录了进程打开的文件描述符和相应的文件对象。因此，子进程的 struct file* fd_array[] 中的元素会指向父进程打开的文件对象，即父子进程（不同的进程）可以看到同一份资源（打开的文件），这不就是通信的本质吗？！

又因为文件对象struct file是由操作系统管理的，如果操作系统识别到是普通文件，就通过内核缓冲区刷新策略往磁盘上读写；而如果识别到时管道文件，操作系统不会将数据刷新到磁盘，而是直接在内核缓冲区中进行数据传输。因此，这种操作方式使得管道的数据传输更加高效。

注意：匿名管道在相关进程的生命周期内有效，但是并不是一旦相关进程结束就会自动关闭并释放资源。而是会依靠文件对象的引用计数机制来管理资源的释放。只有当所有相关进程都关闭了对管道的引用时，文件对象的引用计数变为零，才会触发操作系统对管道资源的释放。

3.2 站在文件描述符角度-深度理解管道

如果父进程以只读方式打开管道，并且在创建子进程时，子进程也会以只读方式打开管道。那么进程间该如何通信呢？

显然以上这种方式是无法进行通信的。如果要实现通信，一种常见的方法（步骤）是：

父进程在打开管道的时候，以读和写的方式打开。

接下来父进程fork创建子进程，子进程会拷贝父进程的文件描述符表，所以子进程也会以读写的方式打开管道文件

接下来根据实际需求，可以通过关闭相应的管道端口来实现单向通信。比方说，你想让父进程向管道写入数据，而子进程从管道读取数据。那么你就需要关闭父进程的读取端，关闭子进程的写入端。

接下来可能有人会想：为什么管道两端不设计成既可读，也可写呢？

竞态条件：如果管道的两端都可以读写，那么可能会出现竞态条件。两个进程同时尝试在管道中读取和写入数据，可能导致数据的不一致性和混乱。

死锁：读写管道的两端同时进行读写操作时，可能会导致死锁。例如，一个进程在等待从管道中读取数据，而另一个进程在等待向管道中写入数据，这种情况下可能会导致两个进程相互等待，最终造成死锁。

数据丢失：如果管道的两端同时读写，可能会导致数据丢失。例如，一个进程正在向管道中写入数据，同时另一个进程正在从管道中读取数据，这种情况下可能会导致部分数据被丢失。

混乱的通信：同时读写管道可能会导致通信的混乱和不可预测性。由于数据的读写是同时进行的，可能会导致数据的顺序混乱或部分数据丢失，使通信变得不可靠。

因此，为了避免这些问题，一般建议使用管道时一端只负责写入数据，另一端只负责读取数据。这样可以确保通信的可靠性和一致性。

3.3 pipe系统调用接口

在Linux中，除了使用管道符号|创建和使用匿名管道之外，也可以在程序中使用 pipe 系统调用进行创建和使用。

【函数原型】

#include 
int pipe(pipefd);

其中：

在创建匿名管道实现父子进程间通信的过程中，需要pipe函数和fork函数搭配使用，我们设置父进程只能向管道读取数据，而子进程从管道写入数据，代码如下（配代码注释）

【程序结果】

3.4 匿名管道的特征

匿名管道常用于具有血缘关系的进程。

管道只能单向通信。

父子进程是会协同的，同步与互斥的，是为了保护管道文件的数据安全（信号量及多线程再谈）。意思就是说：在管道通信过程中，如果父进程负责从管道读取数据，而子进程负责向管道写入数据，要确保进程在通信时以正确的顺序发送和接收消息，避免出现数据竞争和不确定行为。

管道的生命周期随进程。因为管道在操作系统中被看作是一种文件，但是它其实是是通过内存缓冲区来传输数据。当所有打开管道的进程（读取端和写入端）都关闭了管道，管道所占用的资源就会被操作系统释放。

管道是面向字节流的。（网络再谈）

3.5 匿名管道的四种情况 读写端正常，管道如果为空，读端就会被阻塞，等待写端的数据。

比方说，写端只向管道写三次数据，那么对应的读端就会接收三次数据，后续读端就会被阻塞，等待写端数据

【程序结果】

读写端正常，管道如果被写满，写端就要被阻塞。这说明管道是有限大小的缓冲区，此大小由操作系统决定。

比方说：子进程不断写入，父进程不读取（死循环啥也不干）

【程序结果】

读端正常读，写端关闭，那么读取端会在读取完管道中的所有数据后得到一个特殊的信号，表明已经到达了管道的末尾。这样读取操作就会返回值为 0，也就是read函数会返回0，而不会再被阻塞（不会再等待管道中会有新的数据）。因此，当写端关闭后，读端就知道不会再有新的数据写入管道，可以安全地关闭管道，结束通信。

【程序结果】

因此，当写端关闭后，读端就知道不会再有新的数据写入管道，可以安全地关闭管道，结束通信。

写端正常，读端关闭。那么这两个进程之间通信就没有意义了，因此，操作系统就要杀掉正在写入的进程。那如何杀掉呢？— 当操作系统希望终止一个正在运行的进程时，通常会发送一个特定的信号给该进程来杀掉。

(该图片来自于往期博客)

那么写端进程退出时究竟是收到了什么信号，我们可以来验证一下

【程序结果】

运行结果显示，子进程（写端）退出时收到的是13号信号。

通过kill -l命令可以查看13对应的具体信号。

由此可知，当发生情况四时，操作系统向子进程发送的是SIGPIPE信号将写端进程终止的。

四、简单模拟进程池（匿名管道的应用场景）

文章来源:https://blog.csdn.net/Weraphael/article/details/139550933