进程间通信

什么是进程间通信
进程间通信（IPC）是指不同进程之间交换数据或协作的机制。由于每个进程都有独立的地址空间，它们不能直接访问彼此的内存，因此需要 IPC 机制来进行数据传输和同步。
进程间通信的方式
常见的通信方式有：管道，消息队列，共享内存，信号量，信号，套接字等等
这期我们主要讲的是管道通信

管道通信

什么是管道通信

管道通信是一种 进程间通信 方式，允许 相关进程 之间通过 管道 进行数据传输。管道本质上是一个 FIFO（First In, First Out） 的数据流，写入数据的一端称为 写端，读取数据的一端称为 读端。

为什么可以实现通信？

我们知道进程之间是相互独立的，每个进程都是一个独立的个体，所以我们不能直接进行进程间通信，很明显，我们需要一个媒介来承载这个信息将一个信息写入到这个媒介当中，然后通过这个媒介传入到另一个进程，这就实现了我们所说的管道通信，这个媒介就叫做管道。

管道通信的原理

首先要实现管道通信肯定不能是进程之间某一个进程提供资源，应该是操作系统提供资源，因为进程之间的资源都是相互独立的，就比如说，之前实验过的，父进程的代码中有一个全局变量，当父子进程不修改只读时，用的都是同一份数据，但是当修改全局变量时会发生写实拷贝，所以父子进程之间的资源是不能直接互通的，所以应该由操作系统提供资源，让两个进程同时看到这个公共资源。

就拿上图为例，上图的公共资源就是内核级缓冲区，上面的进程是父进程，下面是子进程，这里的公共资源就是文件的内核级缓冲区，所以父进程就可以向内核级缓冲区写数据，然后子进程读取内核级缓冲区的数据。
这里内核级缓冲区就充当管道，但是这里内核级缓冲区很显然是牛刀小用了，因为内核级缓冲区还有一个功能就是做刷新，刷新到磁盘当中，很明显没有必要，因为我们实现的是进程之间的通信，应该跟磁盘撇清关系，所以操作系统提供了自己的系统级调用，只用于两个进程之间通信的管道。

管道通信的过程

上图就是管道通信的过程。
第一步：创建管道
第二步：创建子进程
第三步：根据父子进程的通信的要求删除没有必要的端口
第四步：进行通信

用代码实现管道通信

管道接口：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <cstdlib>
using namespace std;


//father process -> read
//child process -> write
int main()
{
    
    
    //创建一个管道
    int fds[2] = {
    
    0};
    int n = pipe(fds);//fds是输出型参数
    if(n != 0)
    {
    
    
        cerr<<"pipe error"<<endl;
        return 1;
    }
    //创建子进程
    pid_t id = fork();
    //创建失败
    if(id < 0)
    {
    
    
        cerr<<"fork error"<<endl;
        //退出码设为2

        return 2;
    }
    else if(id == 0)
    {
    
    
        //子进程
        //3.关闭不需要的fd
        close(fds[0]);//子进程关闭读端
        int cnt = 0;
        while(true)
        {
    
    
            string message = "hello world,hello ";
            message += to_string(getpid());
            message +=',';
            message += to_string(cnt);
            //向fds1中写入，写入message，大小是message.size()
            write(fds[1],message.c_str(),message.size());
            cnt++;
            sleep(1);
        }
        exit(0);
    }
    if(id > 0)
    {
    
    
        //父进程
        //3.关闭不需要的fd
        char buffer[1024];
        close(fds[1]);//父进程关闭写端
        while(true)
        {
    
    
            //从fds0中读取数据读到buffer当中
            ssize_t n = read(fds[0],buffer,1024);
            if(n > 0)//读取成功
            {
    
    
                buffer[n] = 0;
                cout<<"child -> father,message: "<<buffer<<endl;
            }
        }
        //父进程会阻塞等待子进程终止
        pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);
        cout<<"father wait child success: "<<rid<<endl;
    }
    return 0;
}

上述代码是子进程发送消息给父进程，子进程是每一秒钟给父进程发送一个消息，所以这里我们可以将中间的时间间隔改长一点。

当上面时间间隔改为每五秒传递一次消息的时候，子进程没有发送消息的时候父进程是阻塞的，阻塞在read，因为read是系统调用，所以设计接口的时候，当管道内的消息读完，写端没有传递新的消息过来，read直接将这个进程设置为阻塞状态防止读取空管道信息出现乱码。

这里我们再做个实验：
原本我们读取的是1024个字符，意思就是我们将传递的信息全覆盖了，这次我们每次只读取五个字符看看效果：

可以看见每次读取5个字符的长度的消息，会分多次将管道内的数据读取完。
我们还需要进行一次实验：就是将读端sleep上100秒，然后让写端不sleep一直发消息。

可以看见最后cnt停在了65536，这个数字很熟悉我们用计算器算一下

可以看见是64字节，意思就是管道也是有大小的，不同的系统是不同的大小，但是我们用的ubuntu是64kb。
通过上面的实验可以得出：读端发送消息不是想发多少就发多少，管道式有大小的，读取的时候也不是发多少就读取多少，而是通过需求来读取，发送的信息可以分2个字节的读取，也可以五个字节的读取，也可以一下把发送的消息全部读取了，如果管道是是满的，则写端就不能发消息，写端呈阻塞状态，当管道为空时，读端呈现阻塞状态
匿名管道的五个特性：

面向字节流（Byte Stream Oriented） 指的是数据在传输过程中以 连续字节（byte） 形式进行读写，而不是按照固定的结构或记录划分。字节流的特点是数据没有边界，所有数据都是按照字节序列存储和传输的。

总结

管道（Pipe）作为 Linux 进程间通信（IPC）机制之一，提供了一种简单而高效的字节流通信方式，特别适用于父子进程之间的数据传输。通过匿名管道，进程可以顺序读写数据，但由于其单向通信、基于字节流、生命周期受限于进程等特性，在实际开发中需要合理设计数据格式，避免读取不完整数据或出现阻塞问题。

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对于更复杂的 IPC 需求，如跨无亲缘关系进程通信、多进程数据同步、网络通信等，可以考虑使用命名管道（FIFO）、消息队列、共享内存、Socket 等机制。在不同场景下，选择合适的通信方式，才能充分发挥 Linux 进程间通信的优势，提高程序的稳定性和性能。