TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程之進(jìn)程與進(jìn)程間通信

作者：Hu先生Linux后臺(tái)開發(fā) 2019-11-08 14:47:49

進(jìn)程間通信意味著兩個(gè)不同進(jìn)程間可以交換數(shù)據(jù)，為了完成這一點(diǎn)，操作系統(tǒng)中應(yīng)提供兩個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)訪問的內(nèi)存空間。但我們知道，進(jìn)程具有完全獨(dú)立的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，就連通過fork函數(shù)創(chuàng)建的子進(jìn)程也不會(huì)和父進(jìn)程共享內(nèi)存，因此，進(jìn)程間通信只能通過其他特殊方法完成。

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進(jìn)程間通信基本概念

基于管道實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信

圖1-1表示基于管道(PIPE)的進(jìn)程間通信結(jié)構(gòu)模型

圖1-1 基于管道的進(jìn)程間通信模型

從圖1-1可以看到，為了完成進(jìn)程間通信，需要?jiǎng)?chuàng)建管道。管道并非屬于進(jìn)程資源，而是和套接字一樣，屬于操作系統(tǒng)資源(也就不是fork函數(shù)的復(fù)制對(duì)象)。下面介紹創(chuàng)建管道函數(shù)

#include 
int pipe (int filedes[2]);//成功時(shí)返回0，失敗時(shí)返回-1

filedes[0]：通過管道接收數(shù)據(jù)時(shí)使用的文件描述符，即管道出口
filedes[1]：通過管道傳輸數(shù)據(jù)時(shí)使用的文件描述符，即管道入口

以長度為2的int數(shù)組地址值作為參數(shù)調(diào)用上述函數(shù)時(shí)，數(shù)組中存有兩個(gè)文件描述符，它們將被用作管道的出口和入口。父進(jìn)程調(diào)用該函數(shù)時(shí)將創(chuàng)建管道，同時(shí)獲取對(duì)應(yīng)于出入口的文件描述符，此時(shí)父進(jìn)程可以讀寫同一管道。但父進(jìn)程的目的是與子進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此需要將入口和出口中的一個(gè)文件描述符傳遞給子進(jìn)程，如何完成傳遞呢?答案還是調(diào)用fork函數(shù)。

pipe1.c 
#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; 
pipe(fds); 
pid = fork(); 
if (pid == 0) 
{ 
write(fds[1], str, sizeof(str)); 
} 
else 
{ 
read(fds[0], buf, BUF_SIZE); 
puts(buf); 
} 
return 0; 
}

第12行：調(diào)用pipe函數(shù)創(chuàng)建管道，fds數(shù)組中保存用于I/O的文件描述符
第13行：接著調(diào)用fork函數(shù)，子進(jìn)程將同時(shí)擁有通過12行函數(shù)調(diào)用獲取的兩個(gè)文件描述符。注意!復(fù)制的并非管道，而是用于管道I/O的文件描述符。至此，父子進(jìn)程同時(shí)擁有I/O文件描述符
第16、20行：子進(jìn)程通過第16行代碼向管道傳遞字符串，父進(jìn)程通過第20行代碼從管道接收字符串

編譯pipe1.c并運(yùn)行

# gcc pipe1.c -o pipe1 
# ./pipe1 
Who are you?

上述示例中的通信方法及路徑如圖1-2所示，重點(diǎn)在于，父子進(jìn)程都可以訪問管道的I/O路徑，但子進(jìn)程僅用輸入路徑，父進(jìn)程僅用輸出路徑

圖1-2 示例pipe1.c的通信路徑

以上就是管道的基本原理及通信方法，應(yīng)用管道時(shí)還有一部分內(nèi)容需要注意，通過雙向通信示例進(jìn)一步說明

通過管道進(jìn)行進(jìn)程間雙向通信

下面創(chuàng)建兩個(gè)進(jìn)程通過一個(gè)管道進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換的示例，其通信方式如圖1-3所示

圖1-3 雙向通信模型1

從圖1-3可以看出，通過一個(gè)管道可以進(jìn)行雙向通信，但采用這種模型需格外小心，先給出示例，稍后再討論。

pipe2.c

#include <stdio.h> 
#include <unistd.h> 
#define BUF_SIZE 30 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
int fds[2]; 
char str1[] = "Who are you?"; 
char str2[] = "Thank you for your message"; 
char buf[BUF_SIZE]; 
pid_t pid; 
pipe(fds); 
pid = fork(); 
if (pid == 0) 
{ 
write(fds[1], str1, sizeof(str1)); 
sleep(2); 
read(fds[0], buf, BUF_SIZE); 
printf("Child proc output: %s \n", buf); 
} 
else 
{ 
read(fds[0], buf, BUF_SIZE); 
printf("Parent proc output: %s \n", buf); 
write(fds[1], str2, sizeof(str2)); 
sleep(3); 
} 
return 0; 
}

第17~20行：子進(jìn)程運(yùn)行區(qū)域，通過第17行行傳輸數(shù)據(jù)，通過第19行接收數(shù)據(jù)。第18行的sleep函數(shù)至關(guān)重要，這一點(diǎn)稍后再討論
第24~26行：父進(jìn)程的運(yùn)行區(qū)域，通過第24行接收數(shù)據(jù)，這是為了接收第17行子進(jìn)程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。另外通過第26行傳輸數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將被第19行的子進(jìn)程接收
第27行：父進(jìn)程先終止時(shí)會(huì)彈出命令提示符，這時(shí)子進(jìn)程仍然在工作，故不會(huì)產(chǎn)生問題。這條語句主要是為了防止子進(jìn)程終止前彈出命令提示符(故可刪除)

編譯pipe2.c并運(yùn)行

# gcc pipe2.c -o pipe2 
# ./pipe2 
Parent proc output: Who are you? 
Child proc output: Thank you for your message

運(yùn)行結(jié)果和我們?cè)O(shè)想一致，不過如果嘗試將18行的代碼注釋后再運(yùn)行，雖然這行代碼只將運(yùn)行時(shí)間延遲了兩秒，但一旦注釋便會(huì)引發(fā)錯(cuò)誤，是什么原因呢?

向管道傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，先讀的進(jìn)程會(huì)把數(shù)據(jù)取走。簡(jiǎn)言之，數(shù)據(jù)進(jìn)入管道后成為無主數(shù)據(jù)，也就是通過read函數(shù)先讀取數(shù)據(jù)的進(jìn)程將得到數(shù)據(jù)，即使該進(jìn)程將數(shù)據(jù)傳到了管道。因此，注釋第18行將產(chǎn)生問題，在第19行，子進(jìn)程將讀回自己在第17行向管道發(fā)送的數(shù)據(jù)。結(jié)果父進(jìn)程調(diào)用read函數(shù)后將無限期等待數(shù)據(jù)進(jìn)入管道。

從上述示例可以看到，只用一個(gè)管道進(jìn)行雙向通信并非易事，為了簡(jiǎn)化在進(jìn)行雙向通信時(shí)，既然一個(gè)管道很難完成的任務(wù)，不如就讓兩個(gè)管道來一起完成?因此創(chuàng)建兩個(gè)管道，各自負(fù)責(zé)不同的數(shù)據(jù)流動(dòng)即可。其過程如圖1-4所示

圖1-4 雙向通信模型2

由圖1-4可知，使用兩個(gè)管道可以解決單單通過一個(gè)管道來進(jìn)行雙向通信的麻煩，下面采用上述模型來改進(jìn)pipe2.c。

pipe3.c

#include <stdio.h> 
#include <unistd.h> 
#define BUF_SIZE 30 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
int fds1[2], fds2[2]; 
char str1[] = "Who are you?"; 
char str2[] = "Thank you for your message"; 
char buf[BUF_SIZE]; 
pid_t pid; 
pipe(fds1), pipe(fds2); 
pid = fork(); 
if (pid == 0) 
{ 
write(fds1[1], str1, sizeof(str1)); 
read(fds2[0], buf, BUF_SIZE); 
printf("Child proc output: %s \n", buf); 
} 
else 
{ 
read(fds1[0], buf, BUF_SIZE); 
printf("Parent proc output: %s \n", buf); 
write(fds2[1], str2, sizeof(str2)); 
sleep(3); 
} 
return 0; 
}

第13行：創(chuàng)建兩個(gè)管道
第17、33行：子進(jìn)程可以通過數(shù)組fds1指向的管道向父進(jìn)程傳輸數(shù)據(jù)
第18、25行：父進(jìn)程可以通過數(shù)組fds2指向的管道向子進(jìn)程傳輸數(shù)據(jù)
第26行：沒有太大的意義，只是為了延遲父進(jìn)程終止的插入的代碼

編譯pipe3.c并運(yùn)行

# gcc pipe3.c -o pipe3 
# ./pipe3 
Parent proc output: Who are you? 
Child proc output: Thank you for your message

運(yùn)用進(jìn)程間通信

上一節(jié)學(xué)習(xí)了基于管道的進(jìn)程間通信方法，接下來將其運(yùn)用到網(wǎng)絡(luò)代碼中。如前所述，進(jìn)程間通信與創(chuàng)建服務(wù)端并沒有直接關(guān)聯(lián)，但有助于理解操作系統(tǒng)。

保存消息的回聲服務(wù)端

擴(kuò)展TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程之多進(jìn)程服務(wù)端(二)這一章的echo_mpserv.c，添加將回聲客戶端傳輸?shù)淖址葱虮４娴轿募小Ｎ覀兛梢詫⑦@個(gè)任務(wù)交給另外的進(jìn)程，換言之，另行創(chuàng)建進(jìn)程，從向客戶端服務(wù)的進(jìn)程字符串信息。當(dāng)然，該過程需要?jiǎng)?chuàng)建用于接收數(shù)據(jù)的管道。

下面給出示例，該示例可以與任意回聲客戶端配合運(yùn)行，我們將用之前介紹過的echo_mpserv.c。

echo_storeserv.c

#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 100 
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("Usage : %s <port>\n", argv[0]); 
exit(1); 
} 
act.sa_handler = read_childproc; 
sigemptyset(&act.sa_mask); 
act.sa_flags = 0; 
state = sigaction(SIGCHLD, &act, 0); 
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) 
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 (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(); 
if (pid == 0) 
{ 
close(serv_sock); 
while ((str_len = read(clnt_sock, buf, BUF_SIZE)) != 0) 
{ 
write(clnt_sock, buf, str_len); 
write(fds[1], buf, str_len); 
} 
close(clnt_sock); 
puts("client disconnected..."); 
return 0; 
} 
else 
close(clnt_sock); 
} 
close(serv_sock); 
return 0; 
} 
void read_childproc(int sig) 
{ 
pid_t pid; 
int status; 
pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG); 
printf("removed proc id: %d \n", pid); 
} 
void error_handling(char *message) 
{ 
fputs(message, stderr); 
fputc('\n', stderr); 
exit(1); 
}

第47、48行：第47行創(chuàng)建管道，第48行創(chuàng)建負(fù)責(zé)保存文件的進(jìn)程
第49~62行：第49行創(chuàng)建的子進(jìn)程運(yùn)行區(qū)域，該區(qū)域從管道出口fds[0]讀取數(shù)據(jù)并保存到文件中。另外，上述服務(wù)端并不終止運(yùn)行，而是不斷向客戶端提供服務(wù)。因此，數(shù)據(jù)在文件中累計(jì)到一定程序即關(guān)閉文件，該過程通過第55行的循環(huán)完成
第80行：第73行通過fork函數(shù)創(chuàng)建的所有子進(jìn)程將復(fù)制第47行創(chuàng)建的管道的文件描述符，因此，可以通過管道入口fds[1]傳遞字符串信息

編譯echo_storeserv.c并運(yùn)行

# gcc echo_storeserv.c -o echo_storeserv 
# ./echo_storeserv 8500 
new client connected... 
new client connected... 
client disconnected... 
removed proc id: 8647 
removed proc id: 8633 
client disconnected... 
removed proc id: 8644

運(yùn)行結(jié)果echo_mpclient ONE：

# ./echo_mpclient 127.0.0.1 8500 
Hello world! 
Message from server: Hello world! 
Hello Amy! 
Message from server: Hello Amy! 
Hello Tom! 
Message from server: Hello Tom! 
Hello Jack! 
Message from server: Hello Jack! 
Hello Rose! 
Message from server: Hello Rose! 
q

運(yùn)行結(jié)果echo_mpclient TWO：

# ./echo_mpclient 127.0.0.1 8500 
Hello Java! 
Message from server: Hello Java! 
Hello Python! 
Message from server: Hello Python! 
Hello Golang! 
Message from server: Hello Golang! 
Hello Spring! 
Message from server: Hello Spring! 
Hello Flask! 
Message from server: Hello Flask! 
q

打印echomsg.txt文件

# cat echomsg.txt 
Hello world! 
Hello Amy! 
Hello Java! 
Hello Python! 
Hello Tom! 
Hello Jack! 
Hello Rose! 
Hello Golang! 
Hello Spring! 
Hello Flask!