概述

什么是通信

进程通信是指不同进程之间在操作系统环境下交换数据、共享信息或者进行协作的过程。多个进程间可能需要相互协作来完成复杂的任务。

其本质可以简单的理解为让多个进程看到同一份"资源"。

这个资源一般指的是特定形式的内存空间，其属于操作系统管辖。这个资源不属于任一个进程，否则这会破坏进程的独立性。访问资源也就等同于访问操作系统。所以在通信过程中不过避免的会使用到系统调用接口。
数进程通信允许进程之间传递数据，可以是简单的消息、文件、共享内存或者其他形式的信息,也涉及到进程之间的同步，确保它们按照预期的顺序执行，并协同工作以完成特定的任务。

通信目的

其目的可以总结为三点：
资源共享：允许进程共享信息和资源，如文件、内存等，以便彼此访问和使用这些资源。
协同工作：多个进程可能需要合作完成一个大型任务，进程通信允许它们之间进行有效的协调和合作。
并发控制：控制并发进程的访问，确保数据的一致性和完整性，避免竞态条件和数据损坏。

通信方式

管道

匿名管道pipe
命名管道

System V IPC

System V 消息队列
System V 共享内存
System V 信号量

POSIX IPC

消息队列
共享内存
信号量
互斥量
条件变量
读写锁

本篇博客主要讲解以上三种通信方式。

管道

概念

在操作系统中，管道是一种用于进程间通信的机制，也是unix中最古老的通信方式，其允许一个进程的输出成为另一个进程的输入，从而实现单向的通信。

+------------------+       +------------------+
|   Process 1     | -----> |   Process 2     |
+------------------+     / +------------------+
         |              /
       (output)      (input)
         |            /        
        \|/          /
+------------------+
|      Pipe        |
+------------------+

单向通信：管道是单向的，即数据只能在一个方向上流动。
进程关系：通常，管道是在具有父子关系的两个相关进程之间创建的。

管道的创建：

1 2	# 使用命令行创建管道 $ command1 \| command2

command1 的输出将作为 command2 的输入。

原理

在进程运行时，会建立对应的task_struct，也就是PCB，其中有一个指针，指向一个file_struct，其本质是一个数组，通过访问数组下标，就能取得对应的文件，且默认会打开三个输入输出流，stdin，stdout，stderr，分别占据下标0，1，2。新建或要打开文件则从下标3开始，这在之前的博客里就已经详细介绍过了。

有了下标，操作系统就能取得相应的文件，就能获取inode，读写方法，以及缓冲区等等。
例如我们打开一个文件，其下标按顺序为3。

当该进程进行fork操作，创建一个子进程，相应的file_struct也会被复制一份给子进程，且指向的仍然是父进程的四个文件。
想到开篇的那句话了吗？通信的前提是让多个进程看到同一份文件。在管道操作中，就需要借助fork来实现这一特性，也就是二者必须有关系！

且读写的struct是分开的。

更详细的拆分一下：

之所以要分开进行读写，是因为：

pipe接口

原型

1 2	#include <unistd.h> int pipe(int pipefd[2]);

pipe() 函数创建一个管道，并将两个文件描述符存储在传入的数组pipefd中。pipefd[0] 用于读取数据，pipefd[1] 用于写入数据。

管道是单向的，只能支持单向数据流动。通常用于父子进程或者兄弟进程之间的通信。
管道在内存中创建一个缓冲区，数据暂存于其中。缓冲区的大小有限，这会对读写造成限制。

遵循先进先出（FIFO）原则：写入管道的数据会按照先进先出的顺序被读取。

如何利用管道进行进程间通信？
创建管道：使用 pipe() 函数创建管道，获取用于读和写的文件描述符。
fork() 创建子进程：在父进程中创建子进程，子进程继承了父进程的文件描述符。
关闭不需要的文件描述符：在父子进程中关闭不需要的文件描述符。例如，父进程关闭管道的读端（pipefd[0]），而子进程关闭管道的写端（pipefd[1]）。
使用 read() 和 write() 进行通信：父子进程分别使用 read() 和 write() 来进行数据的读取和写入，这也和前面所说的通信是操作系统在调控，所以得用系统调用接口来做相吻合。
关闭管道：当通信完成后，关闭管道的文件描述符来释放资源。

请注意：
pipe() 可能失败，返回 -1。此时，可以通过检查 errno 来获取具体的错误信息。
管道的容量是有限的，如果写入速度快于读取速度，可能导致写入进程阻塞（等待缓冲区有空间）。
管道一旦关闭，对端不再可写或可读，读取端会收到一个EOF（文件结束符）。

示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int pipefd[2];
    pid_t pid;
    char message[] = "Hello, Pipe!";

    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    pid = fork();

    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (pid > 0) { // Parent process
        close(pipefd[0]); // Close the read end of the pipe

        write(pipefd[1], message, sizeof(message));
        close(pipefd[1]); // Close the write end of the pipe
    } else { // Child process
        close(pipefd[1]); // Close the write end of the pipe

        char buffer[100];
        int nbytes = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));
        printf("Received message in child: %.*s\n", nbytes, buffer);

        close(pipefd[0]); // Close the read end of the pipe
    }

    return 0;
}

从上面的代码还能看出，管道是面向字节流的！
管道中会出现四种情况：

读写正常，而管道为空，则读阻塞。
读写正常，而管道已满，则写阻塞。
读正常，而写关闭，则读到0，也就是文件结尾。
写正常，而读关闭，操作系统会杀死写进程。

【linux】进程间如何实现通信

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