Android C++系列:Linux进程间通信(一)

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每个进程各自有不同的用户地址空间,任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不 到,所以进程之间要交换数据必须通过内核,在内核中开辟一块缓冲区,进程1把数据从用 户空间拷到内核缓冲区,进程2再从内核缓冲区把数据读走,内核提供的这种机制称为进程 间通信(IPC,InterProcess Communication)。 image-20211120084614827.png

pipe管道

管道是一种最基本的IPC机制,由pipe函数创建:

#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);
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管道作用于有血缘关系的进程之间,通过fork来传递

调用pipe函数时在内核中开辟一块缓冲区(称为管道)用于通信,它有一个读端一个 写端,然后通过filedes参数传出给用户程序两个文件描述符,filedes[0]指向管道的读 端,filedes[1]指向管道的写端(很好记,就像0是标准输入1是标准输出一样)。所以管道 在用户程序看起来就像一个打开的文件,通过read(filedes[0]);或者write(filedes[1]);向这个文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。pipe函数调用成功返回0,调用失败返 回-1。开辟了管道之后如何实现两个进程间的通信呢?比如可以按下面的步骤通信。

image-20211120084709856.png

1.父进程调用pipe开辟管道,得到两个文件描述符指向管道的两端。

2.父进程调用fork创建子进程,那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。

3.父进程关闭管道读端,子进程关闭管道写端。父进程可以往管道里写,子进程可以从管道里读,管道是用环形队列实现的,数据从写端流入从读端流出,这样就实现了进程间通信。

例 pipe管道

#include <stdlib.h> 
#include <unistd.h> 
#define MAXLINE 80
int main(void) {
	int n;
	int fd[2];
	pid_t pid;
	char line[MAXLINE];
	if (pipe(fd) < 0) { 
		perror("pipe");
		exit(1); 
	}
	if ((pid = fork()) < 0) {
		perror("fork");
		exit(1); 
	}
	if (pid > 0) { /* parent */ 
		close(fd[0]);
		write(fd[1], "hello world\n", 12);
		wait(NULL);
	} else { /* child */
		close(fd[1]);
		n = read(fd[0], line, MAXLINE); 
		write(STDOUT_FILENO, line, n);
	}
	return 0; 
}
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使用管道有一些限制:

两个进程通过一个管道只能实现单向通信,比如上面的例子,父进程写子进程读,如果有时候也需要子进程写父进程读,就必须另开一个管道。请读者思考,如果只开一个管道,但是父进程不关闭读端,子进程也不关闭写端,双方都有读端和写端,为什么不能实现双向通信?

管道的读写端通过打开的文件描述符来传递,因此要通信的两个进程必须从它们的公共 祖先那里继承管道文件描述符。上面的例子是父进程把文件描述符传给子进程之后父子进程 之间通信,也可以父进程fork两次,把文件描述符传给两个子进程,然后两个子进程之间通 信,总之需要通过fork传递文件描述符使两个进程都能访问同一管道,它们才能通信。

使用管道需要注意以下4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等于0),而仍 然有进程从管道的读端读数据,那么管道中剩余的数据都被读取后,再次read会返回0,就 像读到文件末尾一样。

  2. 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭(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,这时有进程从管道读端读数据,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。

  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等于0),这时 有进程向管道的写端write,那么该进程会收到信号SIGPIPE,通常会导致进程异常终止。讲 信号时会讲到怎样使SIGPIPE信号不终止进程。

  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数据,这时有进程向管道写端写数据,那么在管道被写满时 再次write会阻塞,直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

管道的这四种特殊情况具有普遍意义。

  • 非阻塞管道, fcntl函数设置O_NONBLOCK标志
  • fpathconf(int fd, int name)测试管道缓冲区大小,_PC_PIPE_BUF

fifo有名管道

创建一个有名管道,解决无血缘关系的进程通信, fifo:

image-20211120085000520.png

qingkouwei@ubuntu:~$ mkfifo xwp
qingkouwei@ubuntu:~$ ls -l xwp
prw-rw-r-- 1 qingkouwei qingkouwei 0 9月 15 18:34 xwp
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mkfifo 既有命令也有函数

#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
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  • 当只写打开FIFO管道时,如果没有FIFO没有读端打开,则open写打开会阻塞。
  • FIFO内核实现时可以支持双向通信。(pipe单向通信,因为父子进程共享同一个file结构体)
  • FIFO可以一个读端,多个写端;也可以一个写端,多个读端。(请测试)

总结

本文介绍了Linux进程通信的概念:解决任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到的问题,以及最常用的进程同行机制:管道。

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Android
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