Linux下使用pipe进行父子进程间通信

引入

之前我们介绍了多进程以及创建进程的函数fork，下面我们将继续深入，讨论一下多进程间的通信问题；

pipe 管道

谈论多进程通信，就离不开pipe（管道），这是一个系统调用，用于在 UNIX 和类 UNIX 系统（如 Linux）上创建一个管道（pipe），实现进程间通信。它创建了一个双向的通信通道，允许一个进程向另一个进程发送数据。管道是单向的，即数据只能沿一个方向流动：从读端读取数据，从写端写入数据。所以我们需要分别关闭管道两端的读取端和写入端，使得进程间信息可以单向传输；

函数定义

int pipe(int pipefd[2]);

参数：
- pipefd[2]：一个包含两个整数的数组，用来保存两个文件描述符（file descriptor）：
  - pipefd[0] 是管道的读端（用于读取数据）；
  - pipefd[1] 是管道的写端（用于写入数据）；
返回值：
- 成功时返回0：表示管道创建成功；
- 失败时返回-1：并设置errno表示

工作原理

pipe() 系统调用创建一个可以在进程之间传递数据的管道，它会生成两个文件描述符：

pipefd[0]：用于从管道的读端读取数据。
pipefd[1]：用于向管道的写端写入数据。

在典型的使用场景中：

父进程可以创建一个管道，然后使用 fork() 创建子进程。
子进程可以关闭管道的写端，通过读端读取父进程发送的数据。
父进程可以关闭管道的读端，通过写端向子进程发送数据。

管道是一个单向的通信通道，因此数据只能从写端发送到读端。如果想要双向通信，需要创建两个管道，一个用于从父进程到子进程，另一个用于从子进程到父进程；下面是示例代码：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cassert>

int main() {
    int pipefd[2];  // 保存管道的读端和写端
    char buffer[100];

    // 创建管道
    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe failed");
        return 1;
    }

    // 创建子进程
    pid_t pid = fork();
    assert(pid >= 0);

    if (pid == 0) {  // 子进程
        close(pipefd[1]);  // 关闭写端
        // 从管道读端读取数据
        read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));
        std::cout << "子进程读取到的消息: " << buffer << std::endl;
        close(pipefd[0]);
    } else {  // 父进程
        close(pipefd[0]);  // 关闭读端
        const char* message = "Hello from parent!";
        // 向管道写端写入数据
        write(pipefd[1], message, strlen(message) + 1);
        close(pipefd[1]);
    }

    return 0;
}

解释

父进程创建了一个管道，通过 pipefd[0] 和 pipefd[1] 分别代表管道的读端和写端。
父进程使用 fork() 创建子进程，子进程会继承父进程的文件描述符。
在子进程中，关闭写端，然后通过管道的读端 pipefd[0] 读取父进程写入的数据。
在父进程中，关闭读端，然后通过管道的写端 pipefd[1] 写入一条消息。

常见问题

单向通信：管道的一个限制是它只能进行单向通信。如果需要双向通信，可以使用两个管道，或者使用其他更复杂的 IPC（进程间通信）机制，如套接字、共享内存等。
管道阻塞：

如果管道的写端没有被关闭，读操作可能会被阻塞，直到有数据可供读取。
同样，如果管道的读端没有被关闭，写操作可能会阻塞，直到缓冲区有空间来写数据。

关闭文件描述符：在父子进程中使用管道时，确保正确关闭不需要的文件描述符。例如，父进程应该关闭读端，而子进程应该关闭写端。否则，管道通信可能会出现错误。

管道的应用场景

进程间通信：管道最常见的用途是实现父子进程之间的简单数据通信，尤其是在 fork() 之后。
子进程的输出重定向：管道可以用于将子进程的标准输出重定向到父进程，以便父进程读取子进程的输出。
流水线处理：在命令行中，使用管道 | 实现将一个程序的输出传递给另一个程序，正是基于 pipe() 的概念。例如：

ls | grep *.cpp
# 将ls的输出通过管道传递给 grep 进行过滤

注意，上述谈论的管道主要是匿名管道，与之对应的还有命名管道，这里不做深究，下一篇文章可以详细讲解一下二者之间的区别；

代码框架

有了上述的pipe管道函数的介绍，我们就可以编写一个用于测试父子进程间通信的程序，接下来我们将分析这个程序的主要功能及其实现方法，搭建出一个简易的框架：

首先我们需要一串父子进程，用于传输和接收信息，可以使用fork函数进行创建，同时还需要储存相应进程的信息，方便我们进行操作；
此外，我们还需要一个传输函数和接收函数，用于父进程发送信息和子进程接收信息；
同时，我们还需要一个待处理任务组，用于子进程处理相关的任务，这里为了简化操作，我们将采用简单的示例代码，只是为了检测相应的功能；
关于我们传递的信息内容，我们需要传递执行任务的子进程编号以及执行的任务编号，以便于子进程可以实现负载均衡；

代码实现

完成了上述的准备工作，我们就可以着手代码实现了，关于代码中的细节问题，注释中都有相应的解释，我后续也会再去完善相应的注释解释工作，代码具体见于我的GitHub仓库，实现代码在pipe分支；

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