Linux 进程间通信 管道系列: 匿名和定名管道,自定义shell当中下令行管道的 ...

一.进程间通信的介绍

1.为什么要进程进程间通信?

由于有些情况下需要进程完成以下使命:

而我们知道进程之间是不能举行"数据"的直接传递的,由于进程具有独立性
因此才有了我们今天要评论的进程间通信
2.什么是进程间通信

普通点讲,进程间通信就是一个进程能够把自己的数据交给另一个进程
进程间进程通信就是举行数据的交互,那么数据存放在那边呢?
下面我们来分析一下

因此,关于进程间通信的一个非非非非非非常重要的结论就得出了:
   进程间通信的本质是让差别的进程,看到同一份资源(一般都是要由OS提供)
  3.进程间通信的详细做法

由于OS提供的"数据存放的空间"有着你差别的样式,就决定了进程间通信有着差别的通信方式

二.管道

管道的本质就是一个内存级文件,不存储在磁盘上,只存储在内存当中
1.从文件的角度理解什么是管道?

创建子进程之后log.txt的struct file对象的引用计数++
此时父子进程都对log.txt这个文件同时具有读写权限
也就是说父子进程看到了同一份资源(log.txt),这就是进程间通信
此时假如子进程对log.txt举行写入,父进程对log.txt举行读取
这不就完成了进程间通信了吗?
因此,这种
   基于文件,让差别进程看到同一份资源的方式,就叫做管道!
  假如让父子进程同时对log.txt既有读权限,又有写权限,那不就容易发生混乱吗?
因此设计管道的工程师规定:
   管道只能被设计为单向通信!
  那么我们如何把刚才的情况改为只能举行单向通信呢?
比方说我们要求父进程作为读端,子进程作为写端
只需要关闭父进程的’w’权限和子进程的’r’权限即可
log.txt的struct file对象的引用计数–
只有当引用计数减为0时,才会释放该struct file对象和其内核缓冲区
此时,父子进程的通信方式就叫做管道!!
回想一下,刚才我们是如何让差别的进程看到同一份资源的呢?
   通过创建子进程,子进程会继承父进程的相干属性信息
  子进程继承了父进程的相干信息,子进程的子进程也会继承子进程的相干信息
那么子进程的子进程不就也能跟父进程举行进程间通信了吗?
是的,因此进程之间只要具有血缘关系,那么就可以利用管道来举行进程间通信
而假如没有血缘关系,那么就无法利用管道来举行进程间通信了
三.匿名管道

假如此时我们想要让两个进程之间举行通信,但是不想在磁盘当中创建单独的文件,怎么办呢?
此时就可以使用匿名管道了
匿名管道:只能让具有血缘关系的进程之间举行进程间通信(常用于父子进程)
(先人跟后代可以,兄弟之间也可以哦)
如何利用呢?

pipe这个函数就是用来创建匿名管道的,传入的参数是一个数组,是一个输出型参数
实行该函数后,会得到2个fd,分别存储在pipefd[0]和pipefd[1]的位置
pipefd[0]存储的是负责r(读)的fd,pipefd[1]存储的是负责w(写)的fd
pipe所创建的匿名管道是一个内存级的文件,并不存在于磁盘当中!!
创建成功返回值为0,创建失败返回值小于0
1.验证代码

下面我们来写一个验证代码

这份代码的含义是:
1.创建管道
2.创建子进程
3.子进程死循环向管道当中写入数据
4.父进程死循环从管道当中读取数据
然后我们编译生成可实行程序,开始运行

至此我们验证完毕
2.四种情况

颠末刚才的演示,我们知道父子进程是如何通过管道来举行通信的了
但是还是不敷细节,由于有些情况没有涉及到,下面我们来一一看看这4种情况吧

为了方便演示,我们改一下代码,让子进程发送消息时每次少发一些
不发急,我们一一分析
1.写端不写,且不退

2.读端不读,且不退

补充一点:

PIPE_BUF:管道的缓存大小是4096字节
   当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，Linux将包管写入的原子性
当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，Linux将不再包管写入的原子性
  关于原子性我们以后会还会见到的

3.写端不写,退了

4.读端不读,退了

其实发送的是13号信号:
SIGPIPE
验证:

5.小小总结

3.五种特性

4.理解下令行管道

我们之前在Linux常见指令2当中介绍过下令行管道的使用

而今天我们学习了管道之后,我们再回过头来重新认识一下下令行管道

1. ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 可执行程序名字 | grep -v grep

复制代码

还记得我们的监控脚本吗?
其实它就是一个下令行管道的典型应用

四.定名管道

匿名管道挺好的,只不过只能由具有血缘关系的进程才气够使用,还是有些局限性的
能不能让没有血缘关系的进程之间也能使用管道来通信呢?
是可以的,不过需要使用我们接下来要介绍的定名管道
1.理论

1.回首匿名管道的原理

2.定名管道理论

2.系统调用接口的介绍与使用

1.介绍

跟匿名管道一样,这件事变OS不放心让用户完成,也是为了给用户一个良好的使用体验,因此OS提供了系统调用接口
mkfifo

2.使用

我们知道|是下令行当中的匿名管道,阐明Linux支持在下令行当中创建匿名管道,那么定名管道呢?
假如不允许的话,Linux是不是就有点偏心了啊
Linux也允许在下令行当中使用mkfifo来创建定名文件
曾记否:我们之前在介绍Linux下的文件类型的时间见过这个管道文件哦

今天我们想说的是:创建了一个定名管道之后,就不能再创建同名的定名管道了

因此我们在创建了定名管道之后,当本次客户端和服务端通信结束之后,为了让下一次对应的代码还能正常运行(也就是创建定名管道成功)
而且肯定是客户端先退出,所以我们要在服务端退出时将这个定名管道删掉
如何删呢?总不能进程程序更换实行个rm -f xxx定名管道吧,那也太挫了吧
OS肯定要提供系统调用接口

同样的unlink也是一个指令哦
介绍完我们需要使用的新增的系统调用接口之后,下面我们来搞代码啦
3.代码编写

这里unlink,read,write,open等等都要判断是否成功,这里为了让代码更加简洁,就没怎么判断,各人可以加上,返回错误码是真的难受…
还是非常香
1.Common.hpp

定名管道是不是只有一份呢?
不是,可以同时有许多份,OS要不要管理,要
如何管理?先描述,在组织
走起

2.pipeServer.cpp

注意:
定名管道创建之后
假如只有读端被打开了,写端还没有被打开,那么读端会壅闭在open函数当中
假如只有写端被打开了,读端还没有被打开,那么写端会壅闭在open函数当中
3.pipeClient.cpp

4.makefile

由于要生成2个可实行程序,因此需要用一个伪目的
(固然你make xxx两次也可以,主要是不优雅)

4.动图演示

此时就能够任意玩了

固然你要是想换一下读写端的话,两个人约定一些暗号等等的信息,输入之后就先暂时退出,然后各自换一种权限打开该文件等等,
这一点上面比匿名管道好玩总之,你想怎么玩就怎么写
随意~
五.自定义shell当中添加下令行管道的功能

1.前言

前言 : 有些内建下令简直可以跟下令行管道一起使用,比方echo,不过某些内建下令无法跟下令行管道一起使用:比如cd
下令行管道可以跟重定向>>,>,<一起使用
拿出我们实现完重定向的shell,(我今天是由自己写了一遍,所以跟上一次的有些差别,但功能是一样的,各人知道能这么玩就行,有空的时间可以自己玩一下)
(另有就是谁人echo $?返回最近一次错误码,由于最近刚学了非常,所以看到这种错误码就满身难受,所以没有搞这个,不过不妨碍我们今天要实现的重定向)
这是一个cpp文件(由于假如用C添加下令行管道[太麻烦了,连个次序表都没有]…写C++写惯了,不想用C…)
为了方便实现,我们把main函数中的代码拿出去了两部门
代码:

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <unistd.h>
5. #include <sys/wait.h>
6. #include <sys/types.h>
7. #include <sys/stat.h>
8. #include <ctype.h>
9. #include <fcntl.h>
10. #include <vector>
11. #include <iostream>
12. #define NoneRedir 0
13. #define OutputRedir 1
14. #define InputRedir 2
15. #define AppendRedir 3
16. using namespace std;
17. int lastcode=0;//上一次进程退出时的退出码
19. int redir=NoneRedir;
20. char* filename=NULL;
22. char cwd[1024]={'\0'};
23. char env[1024][1024]={'\0'};
24. int my_index=0;
26. //将字符串s按照空格作为分割符拆分后添加到vs当中(不过: 空格可能会连续出现)
27. void CommandLineSplit(char* command,char* commandV[])
28. {
29.     char* s=strtok(command," ");
30.     commandV[0]=s;
31.     int i=1;
32.     while(commandV[i++]=strtok(NULL," ")){}
33. }
35. #define SkipSpace(pos) do{while(isspace(*pos)){pos++;}}while(0)
37. void CheckRedir(char* command)
38. {
39.     int len=strlen(command);
40.     char* pos;
41.     for(int i=len-1;i>=0;)
42.     {
43.         if(command[i]=='>')
44.         {
45.             if(i>0 && command[i-1]=='>')//追加
46.             {
47.                 redir=AppendRedir;
48.                 command[i-1]='\0';
49.             }
50.             else//输出
51.             {
52.                 redir=OutputRedir;
53.                 command[i]='\0';
54.             }
55.             pos=command+i+1;
56.             SkipSpace(pos);
57.             filename=pos;
58.             break;
59.         }
60.         else if(command[i]=='<')//输入
61.         {
62.             redir=InputRedir;
63.             command[i]='\0';
64.             pos=command+i+1;
65.             SkipSpace(pos);
66.             filename=pos;
67.             break;
68.         }
69.         else
70.         {
71.             i--;
72.         }
73.     }
74. }
76. void Exec(char* commandV[])
77. {
78.     pid_t id=fork();
79.     if(id==0)
80.     {
81.         if(redir==InputRedir)
82.         {
83.             int fd=open(filename,O_RDONLY);
84.             dup2(fd,0);
85.         }
86.         else if(redir==OutputRedir)
87.         {
88.             int fd=open(filename,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
89.             dup2(fd,1);
90.         }
91.         else if(redir==AppendRedir)
92.         {
93.             int fd=open(filename,O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
94.             dup2(fd,1);
95.         }
96.         execvp(commandV[0],commandV);
97.     }
98.     wait(NULL);
99. }
101. void cd(char* path)
102. {
103.     chdir(path);
104.     char tmp[1024]={'\0'};
105.     getcwd(tmp,sizeof(tmp));
106.     sprintf(cwd,"PWD=%s",tmp);
107.     putenv(cwd);
108. }
110. void Export(char* s)
111. {
112.     strcpy(env[my_index],s);
113.     putenv(env[my_index++]);
114. }
116. int echo(char* commandV[])
117. {
118.         //1.echo后面什么都没有,相当于'\n'
119.         if(commandV[1]==NULL)
120.         {
121.             printf("\n");
122.             lastcode=0;
123.             return 1;
124.         }
125.         //2.echo $?  echo $PWD echo $
126.         char* cmd=commandV[1];
127.         int len=strlen(cmd);
128.         if(cmd[0]=='$' && len>1)
129.         {
130.             //echo $?
131.             if(cmd[1]=='?')
132.             {
133.                 printf("%d\n",lastcode);
134.                 lastcode=0;
135.             }
136.             //echo $PWD
137.             else
138.             {
139.                 char* tmp=cmd+1;
140.                 const char* env=getenv(tmp);
141.                 //找不到该环境变量,打印'\n',退出码依旧为0
142.                 if(env==NULL)
143.                 {
144.                     printf("\n");
145.                 }
146.                 else
147.                 {
148.                     printf("%s\n",env);
149.                 }
150.                 lastcode=0;
151.             }
152.         }
153.         else
154.         {
155.             if(cmd[0]=='"' && cmd[len-1]=='"')
156.             {
157.                 cmd[len-1]='\0';
158.                 printf("%s\n",cmd+1);
159.             }
160.             else
161.                 printf("%s\n",cmd);
162.         }
163.         return 1;
164. }
167. int doBulidIn(char* commandV[])
168. {
169.     int ret=0;
170.     if(strcmp(commandV[0],"cd")==0)
171.     {
172.         cd(commandV[1]);
173.         ret=1;
174.     }
175.     else if(strcmp(commandV[0],"export")==0)
176.     {
177.         Export(commandV[1]);
178.         ret=1;
179.     }
180.     else if(strcmp(commandV[0],"echo")==0)
181.     {
182.         echo(commandV);
183.         ret=1;
184.     }
185.     return ret;
186. }
188. //打印提示符和修正redir,filename的函数
189. void step1()
190. {
191.     redir=NoneRedir;
192.     filename=NULL;
193.     //1.打印提示符wzs@VM-16-10-ubuntu:~/ubuntucode/shell$
194.     printf("%s@VM-16-10-ubuntu:%s$ ",getenv("USER"),getenv("PWD"));
195. }
197. //具体执行指令的函数
198. void step3(char* command)
199. {
200.     //3.检查重定向
201.     CheckRedir(command);
202.     //4.解析字符串
203.     char* commandV[1024]={NULL};
204.     CommandLineSplit(command,commandV);
205.     //5.分析内建命令
206.     int ret=doBulidIn(commandV);
207.     if(ret==0)
208.     {
209.         //6.进程程序替换
210.         Exec(commandV);
211.     }
212. }
214. int main()
215. {
216.     while(1)
217.     {
218.         step1();
219.         char command[1024]={'\0'};
220.         fgets(command,sizeof(command),stdin);
221.         int len=strlen(command);
222.         command[len-1]='\0';
223.         step3(command);
224.     }
225.     return 0;
226. }

复制代码

2.思绪

1.如何创建管道与进程

因此,我们只需要边创建管道,边创建进程,(最后一个进程单独创建)
而且用vector<pair<int,int>>存储全部的管道的读写端方便后续管道对其举行关闭
(由于管道的特点是读/写端没有全都退出,另一端就会一直壅闭等候,假如不关闭读写端的话父进程接纳时就必须要逆序接纳)
又由于我们要让父进程接纳子进程,所以在用一个vector<int>存储全部的子进程pid,后续还要waitpid接纳他们呢
2.预处置惩罚

在检查是否需要重定向之前,我们需要先检查整个字符串有多少个’|‘下令行管道,而且
[1]用一个vector<int>生存它们的位置,而且将对应位置改为’\0’,方便后续把每一块指令传递给子进程去处置惩罚
[2]由于第一个指令左侧没有’|',所以我们在初始化vector<int>的时间,可以先存上一个-1,然后分配使命时就好分配了
3.实现

只有刚才的这两步,搞清楚这两点之后代码就能够很好的写出来了

4.演示

5.代码

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <unistd.h>
5. #include <sys/wait.h>
6. #include <sys/types.h>
7. #include <sys/stat.h>
8. #include <ctype.h>
9. #include <fcntl.h>
10. #include <vector>
11. #include <iostream>
12. #define NoneRedir 0
13. #define OutputRedir 1
14. #define InputRedir 2
15. #define AppendRedir 3
16. using namespace std;
17. int lastcode=0;//上一次进程退出时的退出码
19. int redir=NoneRedir;
20. char* filename=NULL;
22. char cwd[1024]={'\0'};
23. char env[1024][1024]={'\0'};
24. int my_index=0;
26. //将字符串s按照空格作为分割符拆分后添加到vs当中(不过: 空格可能会连续出现)
27. void CommandLineSplit(char* command,char* commandV[])
28. {
29.     char* s=strtok(command," ");
30.     commandV[0]=s;
31.     int i=1;
32.     while(commandV[i++]=strtok(NULL," ")){}
33. }
35. #define SkipSpace(pos) do{while(isspace(*pos)){pos++;}}while(0)
37. void CheckRedir(char* command)
38. {
39.     int len=strlen(command);
40.     char* pos;
41.     for(int i=len-1;i>=0;)
42.     {
43.         if(command[i]=='>')
44.         {
45.             if(i>0 && command[i-1]=='>')//追加
46.             {
47.                 redir=AppendRedir;
48.                 command[i-1]='\0';
49.             }
50.             else//输出
51.             {
52.                 redir=OutputRedir;
53.                 command[i]='\0';
54.             }
55.             pos=command+i+1;
56.             SkipSpace(pos);
57.             filename=pos;
58.             break;
59.         }
60.         else if(command[i]=='<')//输入
61.         {
62.             redir=InputRedir;
63.             command[i]='\0';
64.             pos=command+i+1;
65.             SkipSpace(pos);
66.             filename=pos;
67.             break;
68.         }
69.         else
70.         {
71.             i--;
72.         }
73.     }
74. }
76. void Exec(char* commandV[])
77. {
78.     pid_t id=fork();
79.     if(id==0)
80.     {
81.         if(redir==InputRedir)
82.         {
83.             int fd=open(filename,O_RDONLY);
84.             dup2(fd,0);
85.         }
86.         else if(redir==OutputRedir)
87.         {
88.             int fd=open(filename,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
89.             dup2(fd,1);
90.         }
91.         else if(redir==AppendRedir)
92.         {
93.             int fd=open(filename,O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND,0666);
94.             dup2(fd,1);
95.         }
96.         execvp(commandV[0],commandV);
97.     }
98.     wait(NULL);
99. }
101. void cd(char* path)
102. {
103.     chdir(path);
104.     char tmp[1024]={'\0'};
105.     getcwd(tmp,sizeof(tmp));
106.     sprintf(cwd,"PWD=%s",tmp);
107.     putenv(cwd);
108. }
110. void Export(char* s)
111. {
112.     strcpy(env[my_index],s);
113.     putenv(env[my_index++]);
114. }
116. int echo(char* commandV[])
117. {
118.         //1.echo后面什么都没有,相当于'\n'
119.         if(commandV[1]==NULL)
120.         {
121.             printf("\n");
122.             lastcode=0;
123.             return 1;
124.         }
125.         //2.echo $?  echo $PWD echo $
126.         char* cmd=commandV[1];
127.         int len=strlen(cmd);
128.         if(cmd[0]=='$' && len>1)
129.         {
130.             //echo $?
131.             if(cmd[1]=='?')
132.             {
133.                 printf("%d\n",lastcode);
134.                 lastcode=0;
135.             }
136.             //echo $PWD
137.             else
138.             {
139.                 char* tmp=cmd+1;
140.                 const char* env=getenv(tmp);
141.                 //找不到该环境变量,打印'\n',退出码依旧为0
142.                 if(env==NULL)
143.                 {
144.                     printf("\n");
145.                 }
146.                 else
147.                 {
148.                     printf("%s\n",env);
149.                 }
150.                 lastcode=0;
151.             }
152.         }
153.         else
154.         {
155.             if(cmd[0]=='"' && cmd[len-1]=='"')
156.             {
157.                 cmd[len-1]='\0';
158.                 printf("%s\n",cmd+1);
159.             }
160.             else
161.                 printf("%s\n",cmd);
162.         }
163.         return 1;
164. }
166. int doBulidIn(char* commandV[])
167. {
168.     int ret=0;
169.     if(strcmp(commandV[0],"cd")==0)
170.     {
171.         cd(commandV[1]);
172.         ret=1;
173.     }
174.     else if(strcmp(commandV[0],"export")==0)
175.     {
176.         Export(commandV[1]);
177.         ret=1;
178.     }
179.     else if(strcmp(commandV[0],"echo")==0)
180.     {
181.         echo(commandV);
182.         ret=1;
183.     }
184.     return ret;
185. }
187. void step1()
188. {
189.     redir=NoneRedir;
190.     filename=NULL;
191.     //1.打印提示符wzs@VM-16-10-ubuntu:~/ubuntucode/shell$
192.     printf("%s@VM-16-10-ubuntu:%s$ ",getenv("USER"),getenv("PWD"));
193. }
195. void step3(char* command)
196. {
197.     //3.检查重定向
198.     CheckRedir(command);
199.     //4.解析字符串
200.     char* commandV[1024]={NULL};
201.     CommandLineSplit(command,commandV);
202.     //5.分析内建命令
203.     int ret=doBulidIn(commandV);
204.     if(ret==0)
205.     {
206.         //6.进程程序替换
207.         Exec(commandV);
208.     }
209. }
211. int CheckPipe(char* command,vector<int>& v)//返回管道个数,并且把|的位置填到数组当中
212. {
213.     int len=strlen(command);
214.     for(int i=0;i<len;i++)
215.     {
216.         if(command[i]=='|')
217.         {
218.             v.push_back(i);
219.             command[i]='\0';//直接截断
220.         }
221.     }
222.     return v.size();
223. }
225. void Execpipe(char* command)
226. {
227.     vector<int> pos(1,-1);//为了后续分割方便
228.     int sz=CheckPipe(command,pos);
229.     if(sz==1)
230.     {
231.         step3(command);
232.         return;
233.     }
234.     vector<int> child_id;
235.     vector<pair<int,int>> v;//v[i].first:i号管道的读 second:写
236.     for(int i=0;i<sz-1;i++)//创建sz个进程,sz-1个管道
237.     {
238.         int pipefd[2];
239.         int n=pipe(pipefd);
240.         pid_t id=fork();
241.         if(id==0)
242.         {
243.             close(pipefd[0]);//关闭当前管道的读
244.             int prev_fd_sz=v.size();
245.             for(int j=0;j<prev_fd_sz;j++)
246.             {
247.                 if(j<prev_fd_sz-1)
248.                 {
249.                     //把前面打开的读都关上(除了最近的那一个管道)
250.                     close(v[j].first);
251.                 }
252.                 //把前面打开的管道的写都关上
253.                 close(v[j].second);
254.             }
255.             dup2(pipefd[1],1);//当前管道的写重定向到我的1
256.             if(!v.empty()) dup2(v.back().first,0);//上一个管道的读重定向到我的0
257.             step3(command+pos[i]+1);
258.             exit(0);
259.         }
260.         else
261.         {
262.             v.push_back({pipefd[0],pipefd[1]});
263.             child_id.push_back(id);
264.         }
265.     }
266.     //最后一个进程:
267.     pid_t id=fork();
268.     if(id==0)
269.     {
270.         int prev_fd_sz=v.size();
271.         for(int j=0;j<prev_fd_sz;j++)
272.         {
273.             if(j<prev_fd_sz-1)
274.             {
275.                 //把前面打开的读都关上(除了最近的那一个管道)
276.                 close(v[j].first);
277.             }
278.             //把前面打开的管道的写都关上
279.             close(v[j].second);
280.         }
281.         dup2(v.back().first,0);
282.         step3(command+pos[sz-1]+1);
283.         exit(0);
284.     }
285.     child_id.push_back(id);
286.     for(auto& e:v)
287.     {
288.         //最后的时候父亲关闭所有的读写端
289.         close(e.first);close(e.second);
290.     }
291.     for(auto& e:child_id)
292.     {
293.         pid_t rid=waitpid(e,nullptr,0);
294.         if(rid>0) cout<<"wait success, pid: "<<rid<<endl;
295.     }
296. }
298. int main()
299. {
300.     while(1)
301.     {
302.         step1();
303.         char command[1024]={'\0'};
304.         fgets(command,sizeof(command),stdin);
305.         int len=strlen(command);
306.         command[len-1]='\0';
307.         Execpipe(command);
308.     }
309.     return 0;
310. }

复制代码

  以上就是Linux 进程间通信 管道系列: 匿名和定名管道,自定义shell当中下令行管道的模拟实现的全部内容,希望能对各人有所资助!!

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