通信方式总览
每个进程的用户地址空间都是独立的,一般而言是不能互相访问的,但内核空间是每个进程都共享的,所以进程之间要通信必须通过内核。
1、管道(匿名管道)
如果你学过 Linux 命令,那你肯定很熟悉「|
」这个竖线。
$ ps auxf | grep mysql
上面命令行里的「|
」竖线就是一个管道,它的功能是将前一个命令(ps auxf
)的输出,作为后一个命令(grep mysql
)的输入,从这功能描述,可以看出管道传输数据是单向的,如果想相互通信,我们需要创建两个管道才行。
同时,我们得知上面这种管道是没有名字,所以「|
」表示的管道称为匿名管道,用完了就销毁。
管道还有另外一个类型是命名管道,也被叫做 FIFO
,因为数据是先进先出的传输方式。
在使用命名管道前,先需要通过 mkfifo
命令来创建,并且指定管道名字:
$ mkfifo myPipe
myPipe 就是这个管道的名称,基于 Linux 一切皆文件的理念,所以管道也是以文件的方式存在,我们可以用 ls 看一下,这个文件的类型是 p,也就是 pipe(管道) 的意思:
$ ls -l prw-r--r--. 1 root root 0 Jul 17 02:45 myPipe
接下来,我们往 myPipe 这个管道写入数据:
$ echo "hello" > myPipe // 将数据写进管道 // 停住了 ...
你操作了后,你会发现命令执行后就停在这了,这是因为管道里的内容没有被读取,只有当管道里的数据被读完后,命令才可以正常退出。
于是,我们执行另外一个命令来读取这个管道里的数据:
$ cat < myPipe // 读取管道里的数据 hello
可以看到,管道里的内容被读取出来了,并打印在了终端上,另外一方面,echo 那个命令也正常退出了。
我们可以看出,管道这种通信方式效率低,不适合进程间频繁地交换数据。当然,它的好处,自然就是简单,同时也我们很容易得知管道里的数据已经被另一个进程读取了。
那管道如何创建呢,背后原理是什么?
匿名管道的创建,需要通过下面这个系统调用:
int pipe(int fd[2])
这里表示创建一个匿名管道,并返回了两个描述符,一个是管道的读取端描述符fd[0]
,另一个是管道的写入端描述符 fd[1]
。注意,这个匿名管道是特殊的文件,只存在于内存,不存于文件系统中。
其实,所谓的管道,就是内核里面的一串缓存。从管道的一段写入的数据,实际上是缓存在内核中的,另一端读取,也就是从内核中读取这段数据。另外,管道传输的数据是无格式的流且大小受限。
看到这,你可能会有疑问了,这两个描述符都是在一个进程里面,并没有起到进程间通信的作用,怎么样才能使得管道是跨过两个进程的呢?
我们可以使用 fork
创建子进程,创建的子进程会复制父进程的文件描述符,这样就做到了两个进程各有两个「 fd[0]
与 fd[1]
」,两个进程就可以通过各自的 fd 写入和读取同一个管道文件实现跨进程通信了。
管道只能一端写入,另一端读出,所以上面这种模式容易造成混乱,因为父进程和子进程都可以同时写入,也都可以读出。那么,为了避免这种情况,通常的做法是:
- 父进程关闭读取的 fd[0],只保留写入的 fd[1];
- 子进程关闭写入的 fd[1],只保留读取的 fd[0];
所以说如果需要双向通信,则应该创建两个管道。
到这里,我们仅仅解析了使用管道进行父进程与子进程之间的通信,但是在我们 shell 里面并不是这样的。
在 shell 里面执行 A | B
命令的时候,A 进程和 B 进程都是 shell 创建出来的子进程,A 和 B 之间不存在父子关系,它俩的父进程都是 shell。
所以说,在 shell 里通过「|
」匿名管道将多个命令连接在一起,实际上也就是创建了多个子进程,那么在我们编写 shell 脚本时,能使用一个管道搞定的事情,就不要多用一个管道,这样可以减少创建子进程的系统开销。
我们可以得知,对于匿名管道,它的通信范围是存在父子关系的进程。因为管道没有实体,也就是没有管道文件,只能通过 fork 来复制父进程 fd 文件描述符,来达到通信的目的。
另外,对于命名管道,它可以在不相关的进程间也能相互通信。因为命令管道,提前创建了一个类型为管道的设备文件,在进程里只要使用这个设备文件,就可以相互通信。
不管是匿名管道还是命名管道,进程写入的数据都是缓存在内核中,另一个进程读取数据时候自然也是从内核中获取,同时通信数据都遵循先进先出原则,不支持 lseek 之类的文件定位操作。
1.1 定义:
管道,通常指无名管道,是 UNIX 系统IPC最古老的形式。
1.2 特点:
- 它是半双工的(即数据只能在一个方向上流动),具有固定的读端和写端。
- 它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信(也是父子进程或者兄弟进程之间)。
- 它可以看成是一种特殊的文件,对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件,并不属于其他任何文件系统,并且只存在于内存中。