OS43.【Linux】进程间通信管道通信理论部分

原因: 根据OS18.【Linux】进程基础知识(2)文章的结论: 用fork()创建子进程时,父子进程共用同一份代码,数据以写时拷贝的方式各自私有,那么子进程继承了父进程的file_struct,如果之后父子进程都没有打开或关闭文件(可以理解为父进程刚创建子进程那一瞬间),根据写时拷贝的原理,父子进程的file_struct指针都指向内存中的同一个file_struct

得出进程间通信的本质前提: 先让不同的进程看到同一份资源,这里是让父子进程都能看到同一个内存级别的文件——管道

如果父进程关掉管道文件,那么子进程读取管道文件会出错吗?

答: 不会,因为管道也是文件,那么必然有引用计数这个属性(有关引用计数的知识参见OS30.【Linux】文件IO (2) 文件描述符文章),父进程关掉管道文件,引用计数--,但是管道文件的引用计数不会为0,因为子进程仍然在打开管道文件

父子进程打开文件的方式

管道文件目标: 让一个进程读,另外一个进程写

设想一下,如果父进程以只读方式打开管道文件, 之后父进程创建子进程,由于父子进程之间具有继承关系,那么子进程也只能以只读方式打开管道文件无法做到一个进程读,一个进程写

初步解决方法:使用两个指针执行同一个管道文件,一个指针用来读,另外一个指针用来写,

假设父进程写管道,子进程读管道,最终的情况如下图:

补充: tty的含义

*注: 上图的tty是teletypewriter,即电传打字机,如下图:

但为什么标准输入(fd=0)、标准输出(fd=1)、错误输出(fd=2)在图中用tty表示呢?

在askubuntu.com What is a tty, and how do I access a tty?给出了回答:

回答中指出: tty是纯文本终端,而标准输入、标准输出、错误输出都是输出到终端显示器上的,那么就能理解tty的含义了

父进程写管道,子进程读管道,那么父进程以怎样的方式打开管道文件才能实现进程间通信呢?

方法1.父进程一开始只打开写端

子进程继承父进程的file_struct,那么:

但子进程没有打开读端,这就出问题了,那么需要改进方法1

方法2.父进程一开始打开读端和写端

注意到图中父进程分两次打开管道文件,一次打开读端(r),一次打开写端(w),非常不建议一次打开读写端(rw),因为读端和写端的指针指向文件中的位置不一定相同

(注: 图中的fd[0]=3,fd[1]=4之后再解释)

子进程继承父进程的file_struct,那么:

这样父进程就能写管道,子进程就能读管道了!

由于父进程写管道,子进程读管道,那么最好将父进程读端关闭,子进程写端关闭

原因: 目标是"让一个进程读,另外一个进程写",如果父子进程都参与读写,可能父进程读的太急,父进程会读到自己刚写的数据,这样子进程无法取得父进程写入的数据了; 同理, 如果子进程读的太急,子进程会读到自己刚写的数据,父进程无法取得子进程写入的数据,可以对管道中的数据要加标签来区分子进程和父进程写入的数据,但是操作系统维护成本比较高

强烈建议关闭父进程的写端和子进程的读端,否则父进程或子进程可能误操作,严格遵循单向通信

为了简单起见,Linux中的管道是单向通信的,如下图:

注意: 上图的管道是没有名字的,称为匿名管道,是管道文件的其中一种,因为是子进程继承父进程了管道,不需要名字

也可以这样表示,读写过程已在下图标注:

这样父进程的写端和子进程的读端都指向同一个管道文件的缓冲区

Linux的 /usr/include/unistd.h的注释也是这样说的:

/* Create a one-way communication channel (pipe).
   If successful, two file descriptors are stored in PIPEDES;
   bytes written on PIPEDES[1] can be read from PIPEDES[0].
   Returns 0 if successful, -1 if not.  */
extern int pipe (int __pipedes[2]) __THROW __wur;

#ifdef __USE_GNU
/* Same as pipe but apply flags passed in FLAGS to the new file
   descriptors.  */
extern int pipe2 (int __pipedes[2], int __flags) __THROW __wur;
#endif

管道是单向通讯通道(a one-way communication channel),如果父子进程需要双向通信可以使用两个管道