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进程通信(管道，共享内存实现)

article 2025/6/26 8:05:59

01. 进程通信简介

进程通信工具分为数据传输工具和共享内存两类。这里我们讨论进程通信工具(IPC)里面的管道、system V和共享内存。在理解阶层通信之间，我们先了解用户空间缓冲区和内核空间缓冲区两个概念。

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1.1 用户空间缓冲区

存在于用户态的进程用户空间，进程直接读取。用于存储待发送或已接收的数据，减少频繁的系统调用开销。

代码示例：

char buf[1024];
write(fd, buf, sizeof(buf));  // 将用户缓冲区buf数据写到fd指向内核
read(fd, buf, sizeof(buf));  // 从内核读取数据到用户缓冲区

**PS：**可以使用 fnprintf 先写入用户缓冲区，满后再通过 write 系统调用写入内核(后面有提到)。

1.2 内核空间缓冲区

存在于内核态作为管道通信的中转站，操作系统进行管理，使用系统调用访问

02. 管道(pipe)

我们再使用Linux的ls | wc -l命令时，会用到 |这个符号表示的即是一个管道。为了执行这么命令创建了两个进程分别执行ls和 wc。

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2.1 管道特点

为了通信，一个进程从用户内存向内核内存(进程通信)工具中写入数据，另外一个进程从内核内存读取数据到用户内存，这样便完成了数据的写入和读取，两个过程不能同时进行，且有以下要求：

血缘关系：仅适用于有共同祖先(血缘关系)的进程；通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork()，此后父、子进程之间就可应用该管道(下方有涉及)
内核缓冲区：数据通过内核缓冲区传输，默认大小通常为4KB
阻塞机制：当管道为空时，读操作阻塞；当管道满时，写操作阻塞；进程退出，管道释放
半双工：数据只能单向流动若需双向通信，需创建两个管道

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2.2管道的创建和使用

int pipe(int pipefds[2])//成功返回0，失败返回-1并且errno报错

pipe()系统调用创建一个新管道。成功的pipe()调用会在pipefds数组中返回两个打开的文件描述符：pipefds[0]表示读取端，pipefds[1]表示写入端。可以使用 read()和 write()系统调用来在管道上执行 I/O。一旦向管道写入数据之后立即就能从管道的读取端读取数据。但当管道为空时阻塞read()调用读取的是min{请求的字节数，当前管道存在字节数}。

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2.2.1 匿名管道

父子进程通信过程：

父进程创建管道，得到两个⽂件描述符指向管道的两端
父进程fork出子进程，⼦进程也有两个⽂件描述符指向同⼀管道
子进程关闭pipefds[0]读端,父进程关闭pipefds[1]写端即可实现了进程间通信

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
int main()
{int pipefds[2] = {0};int n = pipe(pipefds);assert(n == 0)// 0：读取端  1：写入端pid_t id = fork();assert(id >= 0) ;if (id == 0){                      // 子进程写入close(pipefds[0]); // 子进程关闭读端const char *msg = "hello Linux!";int cnt = 0;while (1){char buf[1024];fnprintf(buf, sizeof buf, "child is sauing:%s[%d] ", msg, cnt);write(pipefds[1], buf, strlen(buf));sleep(1);}exit(0);}// 父进程读取close(pipefds[1]); // 父进程关闭写端while (1){char buf[1024];ssize_t s = read(pipefds[0], buf, sizeof(buf) - 1); // 保证从二进制文件读取到用户进程某位空一个\0if (s == 0){ // 意味着子进程退出了printf("child quit\n");break;}else if (s > 0){buf[s] = 0;printf("child say to father# %s\n", buffer);}else{printf("read error\n");break;}}return 0;
}