《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 11：进程间通信
《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 11：进程间通信
进程间通信的基本概念
进程间通信（Inter Process Communication）意味着这个不同进程间可以交换数据，为了完成这一点，操作系统中应提供两个进程可以同时访问内存空间。
因为两个进程间具有完全独立的内存空间，就连通过 fork 函数创建的子进程也不会与父进程共享内存空间，因此通信需要特殊的方式。
通过管道实现进程间通信
基于管道（PIPE）的进程间通信结构模型：
管道并非属于进程的资源，而是和套接字一样，属于操作系统（也就不是fork函数的复制对象）。所以，两个进程通过操作系统提供的内存空间进行通信。下面介绍创建管道的函数。
#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);
成功返回 0，失败返回 -1。
参数：
- filedes[0]：通过管道接收数据时使用的文件描述符，即管道出口
- filedes[1]：通过管道传输数据时使用的文件描述符，即管道入口
父进程调用该函数时将创建管道，此时父进程可以读写同一管道。但父进程的目的是与子进程进行数据交换，因此需要将入口或出口中的1个文件描述符传递给子进程。如何完成传递呢？答案就是调用 fork 函数。
示例程序：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
int fd[2];
char str[] = "hello PIPE";
char buff[30];
pipe(fd);
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) // 子进程
{
write(fd[1], str, sizeof(str)); // 写入管道
}
else
{ // 父进程
read(fd[0], buff, sizeof(buff)); // 读取管道
printf("%s\n", buff);
}
return 0;
}
运行结果：
上述示例中的通信方式及路径如下图所示。重点在于，父子进程都可以访问管道的I/O路径，但子进程仅用输入路径，父进程仅用输出路径。
以上就是管道的基本原理及通信方法。应用管道时还有一部分内容需要注意，通过双向通信实例进一步说明。
通过管道进行进程间双向通信
下面创建2个进程通过1个管道进行双向数据交换的实例，其通信方式如下图所示：
可以看出，通过1个管道可以进行双向通信。但采用这种模型是需格外注意。先给出示例：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds[2];
char str1[] = "Who are you?";
char str2[] = "Thank you for your message";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
pipe(fds);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
write(fds[1], str1, sizeof(str1)); /* 18-21行: 子进程运行区域. 通过第18行传输数据, 第20行接收数据. 需要特别关注第19行的sleep函数. 关于这一点稍后再讨论, 希望各位自己思考其含义 */
sleep(2);
read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Child proc output: %s \n", buf);
}
else
{
read(fds[0], buf, BUF_SIZE); /* 25-28行 父进程运行区域. 通过第25行接收数据, 这是为了接收第18行的子进程传输的数据. 另外, 通过第27行传输数据, 这些数据被第20行的子进程接收 */
printf("Parent proc output: %s \n", buf);
write(fds[1], str2, sizeof(str2));
sleep(3); /* 父进程先终止时会弹出命令提示符. 这时子进程仍在工作, 故不会产生问题. 这条语句主要是为了防止子进程终止前弹出命令提示符(故可删除). 注释这条代码后再运行程序, 各位就会明白我的意思. */
}
return 0;
}
运行结果：
运行结果应该和大家的预想一致. 这次注释第18行代码后再运行，出现错误。
数据进入管道后成为无主数据，先读的会读取走，因此如果子进程给父进程发了数据，子进程比父进程先读，那么数据又会被子进程读走。因此，注释第18行将产生问题。在第19行，子进程将读回自己在第17行向管道发送的数据。结果，父进程调用 read 函数后将无限等待数据进入管道。
从上述实例中可以看出，只用1个管道进行双向通信并非易事。为了实现这一点，程序需要预测并控制运行流程，这在每种系统中都不同，可以视为不可能完成的任务。既然如此，该如何进行双向通信呢？
答案是创建2个管道，各自负责不同的数据流动。如下图所示：
示例程序：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int fds1[2], fds2[2];
char str1[] = "Who are you?";
char str2[] = "Thank you for your message";
char buf[BUF_SIZE];
pid_t pid;
pipe(fds1), pipe(fds2); /* 创建两个管道. */
pid = fork();
if (pid == 0)
{
write(fds1[1], str1, sizeof(str1)); /* 第18 24行: 子进程可以通过数组fds1指向的管道向父进程传输数据. */
read(fds2[0], buf, BUF_SIZE); /* 第19 26行: 父进程可以通过数组fds2指向的管道向子进程发送数据. */
printf("Child proc output: %s \n", buf);
}
else
{
read(fds1[0], buf, BUF_SIZE);
printf("Parent proc output: %s \n", buf);
write(fds2[1], str2, sizeof(str2));
sleep(3); /* 第27行: 没有太大的意义, 只是为了延迟父进程终止而插入的代码 */
}
return 0;
}
运行结果：
运用进程间通信
下面扩展第10章的echo_mpserv.c，添加如下功能：“将回声客户端传输的字符串按序保存到文件中”。
我希望将该任务委托给另外的进程。换言之，另行创建进程，从向客户端提供服务的进程读取字符串信息。当然，该过程中需要创建用于接收数据的管道。
下面给出示例。该示例可以与任意回声客户端配合运行，但我们将用第10章介绍过的 echo_mpclient.c。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 100
void error_handling(char *message);
void read_childproc(int sig);
int main(int argc, char *argv[])
{
int serv_sock, clnt_sock;
struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
int fds[2];
pid_t pid;
struct sigaction act;
socklen_t adr_sz;
int str_len, state;
char buf[BUF_SIZE];
if (argc != 2)
{
printf("Usage : %s <port> \n", argv[0]);
exit(1);
}
act.sa_handler = read_childproc;
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_flags = 0;
state = sigaction(SIGCHLD, &act, 0);
serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
{
error_handling("bind() error");
}
if (listen(serv_sock, 5) == -1)
{
error_handling("listen() error");
}
pipe(fds); /* 第53 54行: 第54行创建负责保存文件的进程 */
pid = fork();
if (pid == 0) /* 第55行-68行: 第54行创建的子进程运行区域. 该区域从管道出口fds[0]读取并保存到文件中. 另外, 上述服务器端并不终止运行, 而是不断向客户端提供服务. 因此, 数据在文件中积累到一定程度即关闭文件, 该过程通过第61行的循环完成. */
{
FILE *fp = fopen("echomsg.txt", "wt");
char msgbuf[BUF_SIZE];
int i, len;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
len = read(fds[0], msgbuf, BUF_SIZE);
fwrite((void *)msgbuf, 1, len, fp);
}
fclose(fp);
return 0;
}
while (1)
{
adr_sz = sizeof(clnt_adr);
clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
if (clnt_sock == -1)
{
continue;
}
else
{
puts("new client connected...");
}
pid = fork();
if (pid == 0)
{
close(serv_sock);
while ((str_len = read(clnt_sock, buf, BUF_SIZE)) != 0)
{
write(clnt_sock, buf, str_len);
write(fds[1], buf, str_len); /* 第71行: 第84行通过fork 函数创建的所有子进程将复制第53行创建的管道的文件描述符. 因此, 可以通过管道入口fds[1]传递字符串信息. */
}
close(clnt_sock);
puts("client disconnected...");
return 0;
}
else
{
close(clnt_sock);
}
}
close(serv_sock);
return 0;
}
void read_childproc(int sig)
{
pid_t pid;
int status;
pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
printf("removed proc id: %d \n", pid);
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
运行结果如下所示。
服务器端：
客户端：
习题
（1）什么是进程间通信？分别从概念和内存的角度进行说明。
概括性地说，进程间通信是指两个进程之间交换数据。但是从内存的角度看，可以理解为两个进程共有内存。因为共享的内存区域存在，可以进行数据交换。
（2）进程间通信需要特殊的IPC机制，这是由操作系统提供的。进程间通信时为何需要操作系统的帮助？
要想实现IPC机制，需要共享的内存，但由于两个进程之间不共享内存，因此需要操作系统的帮助。
（3）“管道”是典型的IPC技术。关于管道，请回答如下问题。
a. 管道是进程间交换数据的路径。如何创建此路径？由谁创建？
b. 为了完成进程间通信，2个进程需同时连接管道。那2个进程如何连接到同一管道？
c. 管道允许进行2个进程间的双向通信。双向通信中需要注意哪些内容？
答：
a. 管道是由pipe函数产生的，实际产生管道的主体是操作系统。
b. pipe函数通过输入参数返回管道的输入输出文件描述符。这个文件描述符在fork函数中复制到了其子进程，因此，父进程和子进程可以同时访问同一管道。
c. 管道并不管理进程间的数据通信。因此，如果数据流入管道，任何进程都可以读取数据。因此，要合理安排共享空间的输入和读取。最好建立2个管道进行双向通信。
（4）编写示例复习IPC技法，使2个进程相互交换3次字符串。当然，这2个进程应具有父子关系，各位可指定任意字符串。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 40
int main()
{
int fds1[2], fds2[2];
char pstr1[] = "Parent process first message!";
char pstr2[] = "Parent process second message!";
char pstr3[] = "Parent process third message!";
char cstr1[] = "Child process first message!";
char cstr2[] = "Child process second message!";
char cstr3[] = "Child process third message!";
char message[BUF_SIZE];
pid_t pid;
pipe(fds1);
pipe(fds2);
pid = fork();
if (pid)
{
write(fds1[1], pstr1, sizeof(pstr1));
read(fds2[0], message, BUF_SIZE);
printf("Message from child process: %s \n", message);
write(fds1[1], pstr2, sizeof(pstr2));
read(fds2[0], message, BUF_SIZE);
printf("Message from child process: %s \n", message);
write(fds1[1], pstr3, sizeof(pstr3));
read(fds2[0], message, BUF_SIZE);
printf("Message from child process: %s \n", message);
}
else
{
read(fds1[0], message, BUF_SIZE);
printf("Message from parent process: %s \n", message);
write(fds2[1], cstr1, sizeof(cstr1));
read(fds1[0], message, BUF_SIZE);
printf("Message from parent process: %s \n", message);
write(fds2[1], cstr2, sizeof(cstr2));
read(fds1[0], message, BUF_SIZE);
printf("Message from parent process: %s \n", message);
write(fds2[1], cstr3, sizeof(cstr3));
}
return 0;
}