Linux探秘坊-------13.进程间通信

1.进程间通信⽬的

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2.管道

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2.1 匿名管道

-----通常用来实现 父子通信

创建子进程时，需要把父进程的进程内容全部拷贝一份，但文件管理是不需要拷贝的 但是我们把父进程的文件描述符表给拷贝下来了，文件描述符表里是一堆指针，他们仍然指向父进程打开的那些文件

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  • 这也是为什么之前运行子进程会在同一个屏幕上打印内容，因为父子进程用的是同一个显示器文件，自然在同一个屏幕上打印咯,
  • 和c++中遇到的 浅拷贝 十分相似

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2.2 原理

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2.2 管道样例

#include <iostream>
#include <unistd.h>using namespace std;
int main()
{int fd[2]={0};//这里使用fd模拟文件描述符表，忽略了0，1，2即标准输入stdin，标准输出stdout，标准错误stderrint n=pipe(fd);//pipe函数需要头文件unistd.hif(n<0)//运行失败会是n<0{cout<<"error"<<endl;return 1;}cout<<"fd[0]:"<<fd[0]<<endl;cout<<"fd[1]:"<<fd[1]<<endl;return 0;
}

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最终结果是：

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  • 因为0，1，2即标准输入，标准输出，标准错误一直在被打开，所以只能分配3，4

完整父子进程管道代码：

#include <iostream>      // 标准输入输出（cout, endl）
#include <unistd.h>      // 提供 pipe(), fork(), close(), read(), write(), sleep() 等系统调用
#include <cstdio>        // 提供 printf() 等 C 标准 I/O 函数
#include <cstring>       // 提供字符串处理函数（如 memset）
#include <sys/types.h>   // 提供 pid_t 等数据类型定义
#include <sys/wait.h>    // 提供 waitpid() 函数using namespace std;// 子进程向管道写入数据的函数
void childwrite(int wfd) {char c = 0;          // 写入的字符（这里固定为 0）int cnt = 0;         // 计数器，记录写入次数while (true) {write(wfd, &c, 1); // 向管道写入 1 字节（实际写入的是 '\0'）printf("child: %d\n", cnt++); // 打印写入次数}
}// 父进程从管道读取数据的函数
void fatherread(int rfd) {char buffer[1024];    // 读取缓冲区while (true) {sleep(100);       // 父进程休眠 100 秒（实际会被 read() 打断）buffer[0] = 0;    // 清空缓冲区（可选）// 从管道读取数据（最多读 sizeof(buffer)-1 字节，预留 1 字节给 '\0'）ssize_t n = read(rfd, buffer, sizeof(buffer)-1);if (n > 0) {      // 读取成功buffer[n] = 0; // 手动添加字符串结束符 '\0'std::cout << "child say: " << buffer << std::endl; // 打印读取的内容} else if (n == 0) { // 管道写端关闭（子进程退出）std::cout << "n : " << n << std::endl;std::cout << "child 退出，我也退出";break;} else {          // 读取错误break;}break;            // 测试时提前退出循环（实际应去掉）}
}int main() {// 1. 创建管道int fd[2] = {0};      // fd[0]：读端，fd[1]：写端int n = pipe(fd);     // 调用 pipe() 创建匿名管道if (n < 0) {          // 创建失败cout << "error" << endl;return 1;}cout << "fd[0]:" << fd[0] << endl; // 打印读端 fdcout << "fd[1]:" << fd[1] << endl; // 打印写端 fd// 2. 创建子进程pid_t pid = fork();   // 调用 fork() 创建子进程if (pid == 0) {       // 子进程逻辑close(fd[0]);     // 关闭读端（子进程只写）childwrite(fd[1]); // 调用子进程写入函数close(fd[1]);     // 关闭写端（实际不会执行到这里）exit(0);          // 子进程退出}sleep(5);             // 父进程休眠 5 秒（等待子进程写入数据）close(fd[1]);         // 关闭写端（父进程只读）fatherread(fd[0]);    // 调用父进程读取函数close(fd[0]);         // 关闭读端// 等待子进程退出int status = 0;int ret = waitpid(pid, &status, 0); // 阻塞等待子进程结束if (ret > 0) {        // 子进程已退出// 打印子进程退出状态（高 8 位是退出码，低 7 位是终止信号）printf("exit code: %d, exit signal: %d\n", (status>>8)&0xFF, status&0x7F);sleep(5);         // 父进程再休眠 5 秒（观察用）}return 0;
}

2.3 五种特性

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2.4 四种通信情况

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blog.csdnimg.cn/direct/eeef895593df4fd08b31442035e93198.png)

3.进程池的模拟

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3.1 hpp文件的使用

#ifndef __PROCESS_POOL_HPP__  // 头文件保护宏（双下划线风格）
#define __PROCESS_POOL_HPP__#include <iostream>  // 系统头文件用尖括号<>// 函数声明/定义
void test() {std::cout << "test" << std::endl;  // 直接使用std::前缀
}#endif  // __PROCESS_POOL_HPP__

-函数的声明和定义可以放在一块写，注意头两行和末尾一行 是格式

3.2 进程池代码实现

ProcessPool.hpp：

#ifndef __PROCESS_POOL_HPP__  // 头文件保护宏，防止重复包含
#define __PROCESS_POOL_HPP__#include <iostream>      // 标准输入输出
#include <cstdlib>       // C标准库（替代stdlib.h的C++版本）
#include <vector>        // 动态数组容器
#include <unistd.h>      // POSIX API（pipe/fork/close等）
#include <sys/wait.h>    // 进程等待相关函数
#include "Task.hpp"      // 自定义任务管理头文件// Channel类：管理单个子进程的通信通道
class Channel
{
public:// 构造函数：初始化写端fd和子进程IDChannel(int fd, pid_t id) : _wfd(fd), _subid(id){// 生成通道名称（格式：channel-[fd]-[pid]）_name = "channel-" + std::to_string(_wfd) + "-" + std::to_string(_subid);}// 析构函数（空实现，资源通过Close()显式释放）~Channel() {}// 向子进程发送任务码void Send(int code){int n = write(_wfd, &code, sizeof(code));(void)n; // 显式忽略返回值（避免编译器警告）}// 关闭写端文件描述符void Close(){close(_wfd); // 关闭管道写端}// 等待子进程退出，回收子进程，避免僵尸进程出现void Wait(){pid_t rid = waitpid(_subid, nullptr, 0); // 阻塞等待(void)rid; // 显式忽略返回值}// Getter方法int Fd() { return _wfd; }             // 获取写端fdpid_t SubId() { return _subid; }      // 获取子进程PIDstd::string Name() { return _name; }  // 获取通道名称private:int _wfd;            // 管道写端文件描述符pid_t _subid;        // 子进程PIDstd::string _name;   // 通道标识名称
};// ChannelManager类：管理所有子进程通道
class ChannelManager
{
public:ChannelManager() : _next(0) {}  // 初始化轮询索引// 添加新通道void Insert(int wfd, pid_t subid){_channels.emplace_back(wfd, subid); // 原地构造Channel对象，加入channel数组}// 轮询选择下一个通道（简单负载均衡）Channel &Select(){auto &c = _channels[_next];_next = (_next + 1) % _channels.size(); // 环形选择return c;}// 打印所有通道信息void PrintChannel(){for (auto &channel : _channels){std::cout << channel.Name() << std::endl;}}// 关闭所有子进程管道void StopSubProcess(){for (auto &channel : _channels){channel.Close();//关掉读std::cout << "关闭: " << channel.Name() << std::endl;}}// 回收所有子进程void WaitSubProcess(){for (auto &channel : _channels){channel.Wait();std::cout << "回收: " << channel.Name() << std::endl;}}~ChannelManager() {}  // 析构函数（vector自动释放）private:std::vector<Channel> _channels;  // 存储所有Channel对象int _next;                       // 轮询索引
};const int gdefaultnum = 5;  // 默认子进程数量// ProcessPool类：主进程池实现
class ProcessPool
{
public:// 构造函数：初始化进程数并注册任务ProcessPool(int num) : _process_num(num){_tm.Register(PrintLog);    // 注册日志任务_tm.Register(Download);    // 注册下载任务_tm.Register(Upload);      // 注册上传任务}//把这三个函数指针全部加入函数指针数组中// 子进程工作循环void Work(int rfd){while (true){int code = 0;ssize_t n = read(rfd, &code, sizeof(code));//从rfd中读任务吗，和channel的send函数相对应，正常一次读4字节if (n > 0)  // 成功读取{if (n != sizeof(code)) continue;  // 数据不完整则继续读取std::cout << "子进程[" << getpid() << "]收到任务码: " << code << std::endl;_tm.Execute(code);  // 执行对应任务，就是三个函数之一，上传，下载。。。。}else if (n == 0)  // 管道关闭（父进程终止）{std::cout << "子进程退出" << std::endl;break;}else  // 读取错误{std::cerr << "读取错误" << std::endl;break;}}}// 启动进程池bool Start(){for (int i = 0; i < _process_num; i++){// 1. 创建管道int pipefd[2] = {0};if (pipe(pipefd) < 0) return false;  // 创建失败// 2. 创建子进程pid_t subid = fork();if (subid < 0) return false;  // fork失败if (subid == 0)  // 子进程分支{close(pipefd[1]);  // 关闭写端Work(pipefd[0]);    // 进入工作循环close(pipefd[0]);exit(0);            // 正常退出}else  // 父进程分支{close(pipefd[0]);            // 关闭读端_cm.Insert(pipefd[1], subid); // 记录通道信息}}return true;}// 调试用：打印所有通道void Debug() { _cm.PrintChannel(); }// 运行任务（主进程调用）void Run(){int taskcode = _tm.Code();          // 1. 获取任务码auto &c = _cm.Select();             // 2. 选择子进程std::cout << "选择子进程: " << c.Name() << std::endl;c.Send(taskcode);                   // 3. 发送任务std::cout << "发送任务码: " << taskcode << std::endl;}// 停止进程池void Stop(){_cm.StopSubProcess();  // 关闭所有管道_cm.WaitSubProcess();  // 回收所有子进程}~ProcessPool() {}  // 析构函数private:ChannelManager _cm;      // 通道管理器int _process_num;        // 子进程数量TaskManager _tm;         // 任务管理器
};#endif

Task.hpp：

// 防止头文件被重复包含的编译器指令（现代C++替代#ifndef的方式）
#pragma once// 标准输入输出库（用于cout等）
#include <iostream>
// 动态数组容器（用于存储任务函数指针）
#include <vector>
// 时间相关函数（用于随机数种子初始化）
#include <ctime>// 定义函数指针类型：无参数、无返回值的函数，名字是task_t!!!!!
typedef void (*task_t)(); 调试用任务函数 
// 打印日志任务函数
void PrintLog()
{std::cout << "我是一个打印日志的任务" << std::endl;
}// 下载任务函数 
void Download()
{std::cout << "我是一个下载的任务" << std::endl;
}// 上传任务函数
void Upload()
{std::cout << "我是一个上传的任务" << std::endl;
}
//// 任务管理类
class TaskManager
{
public:// 构造函数：初始化随机数种子TaskManager(){srand(time(nullptr)); // 用当前时间初始化随机数生成器}// 注册任务函数：将函数指针存入vectorvoid Register(task_t t){_tasks.push_back(t); // 添加到任务列表末尾}// 生成随机任务码：返回[0, 任务数量-1]的随机数int Code(){return rand() % _tasks.size(); // 取模保证不越界}// 执行任务：根据code调用对应的函数void Execute(int code){// 检查code是否合法（防御性编程）if(code >= 0 && code < _tasks.size()){_tasks[code](); // 通过函数指针调用任务，就是上面三个打印，上传，下载函数}// 注意：未处理非法code的情况（可添加错误处理）}// 析构函数（当前为空实现）~TaskManager(){}private:std::vector<task_t> _tasks; // 存储所有注册的任务函数指针
};

makefile：

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

main.cc:

#include "ProcessPool.hpp"int main()
{// 创建进程池对象ProcessPool pp(gdefaultnum);// 启动进程池pp.Start();//刚开始就是建立5个子进程和通道，但通道内没有内容即任务码，所以子进程的work会被卡住。// 自动派发任务int cnt = 10;while(cnt--){pp.Run();//往子进程里去发放任务码，子进程开始work，也就是开始调用manager的Execute函数，就是在三个上传，下载函数中随机选一个来执行sleep(1);}// 回收，结束进程池pp.Stop();// 关闭所有管道-即回收父进程的wfd---使用close函数关掉所有channel中的wfd//回收所有子进程----调用waitpid函数return 0;
}

小问题：
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如果我每关一个wfd，回收一个子进程会怎样？ 会在第一个子进程回收时阻塞！！！-------------------------------------- read（）没有返回0

  • 第一次产生子进程，父进程文件描述符表分配3，4（三是读，四是写），子进程先是拷贝父类的内容，所以子进程也是（三是读，四是写），然后关闭不需要的fd，父进程关闭3，子进程关闭4
  • 第二次产生子进程，父进程分配文件描述符3，5（因为4已经在上次的过程中被占用，三是读，五是写），同理，子进程也是（三是读，五是写），然后再次关闭不需要的fd，父进程关闭3，子进程关闭5 ，要注意的是，第二次产生的子进程会继承父进程的4，即二号子进程的4是指向第一个子进程管道的写端的！！！！！！
  • 所以第一次，父进程的wfd被关闭后，写端并没有完全关闭（因为剩余的四个子进程都继承了4号）写端计数器还有4，read函数就不会返回0，自然就没办法结束第一个子进程，自然就没办法使用wait函数回收，导致阻塞

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  • 解决办法-----倒着关，因为只有最后一个子进程的写端是由父进程一人持有的，父进程关了那就是真的关了，可以让read直接返回0，完成回收----以此类推
  • 也可以在子进程创立时，遍历channel数组，把里面的wfd都关了，说白了就是把继承下来的写端全关了，这样所有的写端都只由父进程持有

4.命名管道

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