11.1 进程间通信的基本概念

IPC：Inter-Process Communication，进程间通信。

11.1.1 通过管道实现进程间通信

下图是基于管道（PIPE）的进程间通信的模型：

C11 进程间通信 - 图1
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。下面是创建管道的函数：

#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);
/*
    成功时返回 0 ，失败时返回 -1
    filedes[0]: 管道接收数据的文件描述符，即管道出口
    filedes[1]: 管道传输数据的文件描述符，即管道入口
*/

父进程创建函数时将创建管道，同时获取对应于出入口的文件描述符，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。下面的例子是关于该函数的使用方法：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[]){
    int fds[2];
    char str[] = "Who are you?";
    char buf[BUF_SIZE];
    pid_t pid;
    // 调用  pipe 函数创建管道，fds 数组中保存用于 I/O 的文件描述符
    pipe(fds);
    pid = fork(); //子进程将同时拥有创建管道获取的2个文件描述符，复制的并非管道，而是文件描述符
    if (pid == 0){
        write(fds[1], str, sizeof(str));
    }else{
        read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
        puts(buf);
    }
    return 0;
}

结果：

Who are you?

可以从程序中看出，首先创建了一个管道，子进程通过 fds[1] 把数据写入管道，父进程从 fds[0] 再把数据读出来。可以从下图看出：

C11 进程间通信 - 图2

11.1.2 通过管道进行进程间双向通信

下图可以看出双向通信模型：

C11 进程间通信 - 图3

下面是双向通信的示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[]){
    int fd[2]; // 0：出口 1：入口
    pid_t pid;
    char str1[] = "Message from father";
    char str2[] = "Message from child";
    char buf[BUF_SIZE];
    pipe(fd);
    pid = fork();
    if (pid == 0) {
        write(fd[1], &str2, sizeof(str2));
        sleep(2);
        read(fd[0], &buf, BUF_SIZE);
        printf("Recevid \"%s\" from father. \n", buf);
    } else {
        read(fd[0], &buf, BUF_SIZE);
        printf("Recevid \"%s\" from child. \n", buf);
        write(fd[1], &str1, sizeof(str1));
        sleep(3);
    }
    return 0;
}

运行结果是正确的，但是如果注释掉第16行的代码，就会出现问题，导致一直等待下去。因为数据进入管道后变成了无主数据。也就是通过 read 函数先读取数据的进程将得到数据，即父进程将读到自己发送的数据且被阻塞。

当一个管道不满足需求时，就需要创建两个管道，各自负责不同的数据流动，过程如下图所示：

C11 进程间通信 - 图6

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[]){
    int fds1[2]; // 0：出口 1：入口
    int fds2[2]; 
    pid_t pid;
    char str1[] = "Message from father";
    char str2[] = "Message from child";
    char buf[BUF_SIZE];
    pipe(fds1);
    pipe(fds2);
    pid = fork();
    if (pid == 0) {
        write(fds1[1], &str2, sizeof(str2));
        read(fds2[0], &buf, BUF_SIZE);
        printf("Recevid \"%s\" from father. \n", buf);
    } else {
        read(fds1[0], &buf, BUF_SIZE);
        printf("Recevid \"%s\" from child. \n", buf);
        write(fds2[1], &str1, sizeof(str1));
    }
    return 0;
}

上面通过创建两个管道实现了功能，此时，不需要额外再使用 sleep 函数。运行结果和上面一样。

11.2 运用进程间通信

11.2.1 保存消息的回声服务器

下面对第 10 章的 echo_mpserv.c 进行改进，添加一个功能：

将回声客户端传输的字符串按序保存到文件中

实现该任务将创建一个新进程，从向客户端提供服务的进程读取字符串信息，下面是代码：

#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 30
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("Usgae : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    act.sa_handler = read_childproc; //防止僵尸进程
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    // 注册信号处理器，把成功的返回值给 state
    state = sigaction(SIGCHLD, &act, 0);     
    // 创建服务端监听socket，绑定地址并监听socket
    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) //进入等待连接请求状态
        error_handling("listen() error");
    pipe(fds);
    pid = fork();
    if (pid == 0){
        FILE *fp = fopen("echomsg.txt", "wt");
        char msgbuf[BUF_SIZE];
        int i, len;
        for (int 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(); //此时，父子进程分别带有一个套接字
        if (pid == 0){ //子进程运行区域,此部分向客户端提供回声服务
            close(serv_sock); //关闭服务器套接字，因为从父进程传递到了子进程
            while ((str_len = read(clnt_sock, buf, BUFSIZ)) != 0){
                write(clnt_sock, buf, str_len);
                write(fds[1], buf, str_len);
            }
            close(clnt_sock);
            puts("client disconnected...");
            return 0;
        }
        else // accept 函数创建的描述符已经复制给子进程，因为服务器端要销毁自己拥有的
            close(clnt_sock); 
    }
    close(serv_sock);
    return 0;
}
void error_handling(char *message){
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}
void read_childproc(int sig){
    pid_t pid;
    int status;
    pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
    printf("removed proc id: %d \n", pid);
}

此服务端配合第 10 章的客户端 echo_mpclient.c 使用，运行结果如下图:

C11 进程间通信 - 图8

C11 进程间通信 - 图9
从图上可以看出，服务端已经生成了文件，把客户端的消息保存可下来，只保存了10次消息。

11.3 习题

什么是进程间通信？分别从概念和内存的角度进行说明。
答：进程间通信意味着两个不同的进程间可以交换数据。从内存上来说，就是两个进程可以访问同一个内存区域，然后通过这个内存区域数据的变化来进行通信。
进程间通信需要特殊的 IPC 机制，这是由于操作系统提供的。进程间通信时为何需要操作系统的帮助？
答：为了进行进程间通信，需要管道的帮助，但是管道不是进程的资源，它属于从操作系统，所以，两个进程通过操作系统提供的内存空间进行通信。
「管道」是典型的 IPC 技法。关于管道，请回答以下问题：
1. 管道是进程间交换数据的路径。如何创建此路径？由谁创建？
  答：使用 pipe 函数进行创建，由操作系统创建。父进程调用该函数时将创建管道。
2. 为了完成进程间通信。2 个进程要同时连接管道。那2 个进程如何连接到同一管道？
  答：数组中有两个文件描述符，父子进程调用相关函数时，通过 fork 函数，把 1 个文件描述符传递给子进程。
3. 管道允许 2 个进程间的双向通信。双向通信中需要注意哪些内容？
  答：向管道传输数据时，先读的进程会把数据取走。简言之，就是数据进入管道候会变成无主数据，所以有时候为了防止错误，需要多个管道来进程通信。