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Linux 进程间通信
当系统中有了多个进程时，进程之间的通信就显得格外必要了，进程就相当于现实世界中的人，人跟人之间的交流就相当与进程之间的通信了。Linux 的进程间通信（Inter Process Communication，IPC）主要有 7 种：
- 无名管道
Pipe - 有名管道
Fifo - 信号
Signal - 消息队列
Message Queue - 共享内存
Share Memory - 信号量
Semphone - 套接字
Socket
这 7 种方式有各自的适用场合。在早期管道和信号是用于单机 IPC 的主要方式，在后来 AT&T 的贝尔实验室在那之上又拓展了一个 System V IPC，其中包含了共享内存，消息队列，信号量这 3 种方法。
之后 BSD（加州大学伯克利分校软件研发中心）开发了套接字用来进行网络通信，从这也可以得出网络通信其实就是不同机器之间的进程相互通信，本质上还是属于进程间的通信，只不过多了一个网络的桥梁而已。这就是整个 IPC 的发展过程，IPC 是 Linux 中的一个非常重要的模块，必须掌握这 7 种方式，这也是面试必问的东西。
这篇文章主要介绍第一种 IPC 的机制：无名管道 Pipe，并且会分析它在 Linux 内核的实现机制，废话不多说，赶紧上车...
什么是无名管道 Pipe？
shell 管道
管道是 UNIX 系统 IPC 的最古老的形式，所有的 UNIX 系统都提供管道机制，如果你使用过 shell 中的管道，应该不会默认，例如：
ps -aux | grep "xxx"
这个意思是将 ps -aux 的输出作为 grep xxx 的输入，通过管道可以将两个进程连接起来，功能非常强大，但是有名管道与 shell 的管道有些区别。
无名管道
有名管道具有下面 3 个特点：
- 只能用于有亲缘关系（父子进程）的进程间通信
- 半双工通信方式，具有固定的读写端
- Pipe 被当作特殊文件来对待（Linux 下一切都是文件）
需要了解下半双工和全双工的区别：
- 半双工：同一时刻，数据只能往一个方向传输
- 全双工：同一时刻，数据可以往两个方向传输
有名管道是半双工的，每个时刻一个进程只能读取或者写入，即只能打开读端口或者写端口，不可同时打开。下面的图可以更好地解释在父子进程之间使用管道的模型：
这个模型中内核有一个管道的缓冲区，父进程将数据写入管道写端（fd[1]），子进程从管道读端（fd[0]）中读取数据。
例子：test_pipe.c
了解了有名管道的基本原理，下面我们使用 pipe 来创建一个管道，这是 pipe 函数定义：
#include <unistd.h>
/*
* fd[0]：用于读取
* fd[1]：用于写入
* return：成功返回 0, 失败返回 -1，并设置 erron
*/
int pipe(int pipefd[2]);
这个例子中我们在父进程中 fork 了一个子进程，在 fork 之后要做什么取决与我们想要的数据流的方向，这里设置子进程从父进程读取数据，所以需要关闭子进程的写端 fd[1] 和父进程的读端 fd[0]，注意无名管道不能同时读写。
// test_pipe.c
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main() {
int pfd[2];
int pid;
int status = 0;
char w_cont[] = "Hello child, I'm parent!";
char r_cont[255] = { 0 };
int write_len = strlen(w_cont);
// 创建管道
if(pipe(pfd) < 0) {
perror("create pipe failed");
exit(1);
} else {
// 创建子进程
if((pid = fork()) < 0) {
perror("create process failed");
} else if(pid > 0) {
// 关闭父进程读端
close(pfd[0]);
// 父进程像写端写入数据
write(pfd[1], w_cont, write_len);
close(pfd[1]);
// 等待子进程结束
wait(&status);
} else {
sleep(2);
// 关闭子进程写端
close(pfd[1]);
// 子进程从读端读取数据
read(pfd[0], r_cont, write_len);
// 子进程输出读取的数据
printf("child process read: %s\n", r_cont);
}
return 0 ;
}
编译运行看看：
gcc test_pipe.c -o test_pipe
./test_pipe
child process read: Hello child, I'm parent!
可以看到子进程成功读取了父进程写入的数据，整个过程一共分为 6 个步骤：
- 创建管道
- 创建子进程
- 父进程关闭读端，向写端写入数据
- 子进程等待 2s，等父进程写入完毕
- 子进程关闭写端，从读端读取数据并输出
- 父进程用 wait 等待子进程结束
这个例子可以很好的解释管道的使用方法：父进程写入，子进程读取，当然你也可以设置子进程写，父进程读，只要改变进程的读写端口和代码逻辑即可，代码参考：test_pipe.c，test_pipe2.c
Pipe 的内核实现
管道的操作比较的简单，为了更好的理解它的原理，我们看看 Linux 内核中的管道是如何实现的，因为不同版本的 Linux 内核中的修改比较大，这里以 Linux-3.4 版本来分析。
Pipe 注册过程
内核的 Pipe 的实现原理大体上如下：Pipe 将内存中一片区域映射到虚拟文件系统 VFS，使得上层应用可以像操作文件那样来操作 Pipe，从而实现 IPC，也就是说 Pipe 是以管道文件系统为基础的，我们来看看 fs/pipe.c 中的 pipe 文件系统的注册过程，实际上就是一个驱动程序：
这个过程向内核注册了 pipe 的文件系统，这个文件系统也受 VFS 的控制。
Pipe 的调用过程
再来看看管道的调用过程，上层的 pipe 调用一般都对应底层的 sys_pipe 调用，但是随着内核的修改，有些名称会改变，比如 sys_pipe 在 3.4 中就是用宏定义来表示的：
/*
* fs/pipe.c
* sys_pipe() is the normal C calling standard for creating
* a pipe. It's not the way Unix traditionally does this, though.
**/
SYSCALL_DEFINE2(pipe2, int __user *, fildes, int, flags)
{
int fd[2];
int error;
error = do_pipe_flags(fd, flags);
if (!error) {
if (copy_to_user(fildes, fd, sizeof(fd))) {
sys_close(fd[0]);
sys_close(fd[1]);
error = -EFAULT;
}
}
return error;
}
这是具体的执行过程：
这个过程所做的事情主要是向内核申请内存，创建读写描述符，以此建立 pipe 文件。其中比较重要的是 create_write_pipe，这个函数创建一个写管道，在最后调用 kzalloc 向内核申请内存空间：
这也印证了 pipe 将内存中一片区域映射成虚拟文件系统以及 Linux 的进程间通信实质上就是 IO 操作这两个概念。
结语
本次，我们了解了 Linux 下进程间通信（IPC）的 7 种方式，并着重学习了第一种方式：无名管道 Pipe。管道是最古老的 IPC 方式，使用起来也比较简单，并且我们也简单分析了内核中对 pipe 的实现过程，知道了 pipe 其实也是以文件 IO 的方式来实现 IPC 的，了解些内核的机制可以让我们对 IPC 有一个更好的理解。
感谢你的阅读，我们下次再见 :)
