目录
- 一、进程间通信介绍
- 进程间通信的概念
- 进程间通信的目的
- 进程间通信的本质
- 进程间通信的分类
- 二、管道
- 什么是管道
- 匿名管道
- 匿名管道的原理
- pipe函数
- 匿名管道使用步骤
- 管道读写规则
- 管道的特点
- 管道的四种特殊情况
- 管道的大小
- 命名管道
- 命名管道的原理
- 使用命令创建命名管道
- 创建一个命名管道
- 命名管道的打开规则
- 用命名管道实现server&client通信
- 命名管道和匿名管道的区别
- 三、实现一个简单日志函数
- 可变参数
- 日志三个部分：日志等级、日志时间、日志信息内容
一、进程间通信介绍
进程间通信的概念
进程间通信简称IPC（Interprocess communication），进程间通信就是在不同进程之间传播或交换信息。
进程间通信的目的
- 数据传输： 一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。
- 资源共享： 多个进程之间共享同样的资源。
- 通知事件: 一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件，比如进程终止时需要通知其父进程。
- 进程控制: 有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。
进程间通信的本质
进程间通信的本质就是让不同的进程看到同一份资源。
由于进程间具有独立性，这个独立性主要体现在数据层面，而代码逻辑层面可以私有也可以公有（例如父子进程），因此各个进程之间要实现通信是非常困难的。
各个进程之间若想实现通信，一定要借助第三方资源，这些进程就可以通过向这个第三方资源写入或是读取数据，进而实现进程之间的通信，这个第三方资源实际上就是操作系统提供的一段内存区域。
因此，进程间通信的本质就是，让不同的进程看到同一份资源（内存，文件内核缓冲等）。 由于这份资源可以由操作系统中的不同模块提供，因此出现了不同的进程间通信方式。
进程访问这个资源的空间就是访问操作系统，进程代表用户，资源从创建、使用、释放都通过调用斯通调用接口，从底层到接口设计都要由操作系统独立设计，一般操作系统会有一个独立的通信模块——它属于文件系统——IPC通信模块，由于有好多通信的模块方式，所以定制了一个标准system V（本机内部）和posix（网络）。
进程间通信的分类
管道
- 匿名管道
- 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
二、管道
什么是管道
管道是Unix中最古老的进程间通信的形式，我们把从一个进程连接到另一个进程的数据流称为一个“管道”。
例：查看当前使用云服务器上的登录用户个数
其中，who命令和wc命令是两个系统级的命令，当它们运行起来后就变成了两个进程，who进程通过标准输出将数据打到“管道”当中，wc进程再通过标准输入从“管道”当中读取数据，至此便完成了数据的传输，进而完成数据的进一步加工处理。
原理：
匿名管道
匿名管道的原理
匿名管道用于进程间通信，且仅限于本地父子进程之间的通信。
进程间通信的本质就是，让不同的进程看到同一份资源，使用匿名管道实现父子进程间通信的原理就是，让两个父子进程先看到同一份被打开的文件资源，然后父子进程就可以对该文件进行写入或是读取操作，进而实现父子进程间通信。
注意：
- 这里父子进程看到的同一份文件资源是由操作系统来维护的，所以当父子进程对该文件进行写入操作时，该文件缓冲区当中的数据并不会进行写时拷贝。
- 管道虽然用的是文件的方案，但操作系统不会把进程进行通信的数据刷新到磁盘当中，因为这样做有IO参与会降低效率。这种文件是一批不会把数据写到磁盘当中的文件，也就是磁盘文件和内存文件不一定是一一对应的，有些文件只会在内存当中存在，而不会在磁盘当中存在。
pipe函数
pipe函数用于创建匿名管道，pip函数的函数原型如下：
#include <unistd.h> //头文件
int pipe(int pipefd[2]);
pipe函数的参数是一个输出型参数，数组pipefd用于返回两个指向管道读端和写端的文件描述符：
| 数组元素 | 含义 |
|---|---|
| pipefd[0] | 管道读端的文件描述符 |
| pipefd[1] | 管道写端的文件描述符 |
pipe函数调用成功时返回0，调用失败时返回-1。
匿名管道使用步骤
在创建匿名管道实现父子进程间通信的过程中，需要pipe函数和fork函数搭配使用，具体步骤如下：
1、父进程调用pipe函数创建管道。
2、父进程创建子进程（管道的方式也会被继承）。
3、父进程关闭写端，子进程关闭读端（通常父子进程各持一个权限）。
注意：
- 管道只能够进行单向通信，因此当父进程创建完子进程后，需要确认父子进程谁读谁写，然后关闭相应的读写端。
- 从管道写端写入的数据会被内核缓冲，直到从管道的读端被读取。
以文件描述符的角度看待这三个步骤：
1、父进程调用pipe函数创建管道。
2、父进程创建子进程。
3、父进程关闭写端，子进程关闭读端。
管道读写规则
管道的特点
1、管道内部自带同步与互斥机制。
我们将一次只允许一个进程使用的资源，称为临界资源。管道在同一时刻只允许一个进程对其进行写入或是读取操作，因此管道也就是一种临界资源。
临界资源是需要被保护的，若是我们不对管道这种临界资源进行任何保护机制，那么就可能出现同一时刻有多个进程对同一管道进行操作的情况，进而导致同时读写、交叉读写以及读取到的数据不一致等问题。
为了避免这些问题，内核会对管道操作进行同步与互斥：
- 同步： 两个或两个以上的进程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。比如，A任务的运行依赖于B任务产生的数据。
- 互斥： 一个公共资源同一时刻只能被一个进程使用，多个进程不能同时使用公共资源。
实际上，同步是一种更为复杂的互斥，而互斥是一种特殊的同步。对于管道的场景来说，互斥就是两个进程不可以同时对管道进行操作，它们会相互排斥，必须等一个进程操作完毕，另一个才能操作，而同步也是指这两个不能同时对管道进行操作，但这两个进程必须要按照某种次序来对管道进行操作。
也就是说，互斥具有唯一性和排它性，但互斥并不限制任务的运行顺序，而同步的任务之间则有明确的顺序关系。
2、管道的生命周期随进程。
管道本质上是通过文件进行通信的，也就是说管道依赖于文件系统，那么当所有打开该文件的进程都退出后，该文件也就会被释放掉，所以说管道的生命周期随进程。
3、管道提供的是流式服务。
对于进程A写入管道当中的数据，进程B每次从管道读取的数据的多少是任意的，这种被称为流式服务，与之相对应的是数据报服务：
- 流式服务： 数据没有明确的分割，不分一定的报文段。
- 数据报服务： 数据有明确的分割，拿数据按报文段拿。
4、管道是半双工通信的。
在数据通信中，数据在线路上的传送方式可以分为以下三种：
- 单工通信(Simplex Communication)：单工模式的数据传输是单向的。通信双方中，一方固定为发送端，另一方固定为接收端。
- 半双工通信(Half Duplex)：半双工数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输。
- 全双工通信(Full Duplex)：全双工通信允许数据在两个方向上同时传输，它的能力相当于两个单工通信方式的结合。全双工可以同时(瞬时)进行信号的双向传输。
管道是半双工的，数据只能向一个方向流动，需要双方通信时，需要建立起两个管道。
管道的四种特殊情况
- 写端进程不写，读端进程一直读，那么此时会因为管道里面没有数据可读，对应的读端进程会被挂起，直到管道里面有数据后，读端进程才会被唤醒。
- 读端进程不读，写端进程一直写，那么当管道被写满后，对应的写端进程会被挂起，直到管道当中的数据被读端进程读取后，写端进程才会被唤醒。
- 写端进程将数据写完后将写端关闭，那么读端进程将管道当中的数据读完后，就会继续执行该进程之后的代码逻辑，而不会被挂起。
- 读端进程将读端关闭，而写端进程还在一直向管道写入数据，那么操作系统会将写端进程杀掉。
其中前面两种情况就能够很好的说明，管道是自带同步与互斥机制的，读端进程和写端进程是有一个步调协调的过程的，不会说当管道没有数据了读端还在读取，而当管道已经满了写端还在写入。读端进程读取数据的条件是管道里面有数据，写端进程写入数据的条件是管道当中还有空间，若是条件不满足，则相应的进程就会被挂起，直到条件满足后才会被再次唤醒。
第三种情况也很好理解，读端进程已经将管道当中的所有数据都读取出来了，而且此后也不会有写端再进行写入了，那么此时读端进程也就可以执行该进程的其他逻辑了，而不会被挂起。
第四种情况也不难理解，既然管道当中的数据已经没有进程会读取了，那么写端进程的写入将没有意义，因此操作系统直接将写端进程杀掉。而此时子进程代码都还没跑完就被终止了，属于异常退出，那么子进程必然收到了某种信号。
管道的大小
命名管道
命名管道的原理
匿名管道只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间的通信，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。
如果要实现两个毫不相关进程之间的通信，可以使用命名管道来做到。命名管道就是一种特殊类型的文件，两个进程通过命名管道的文件名打开同一个管道文件，此时这两个进程也就看到了同一份资源，进而就可以进行通信了。
注意：
- 普通文件是很难做到通信的，即便做到通信也无法解决一些安全问题。
- 命名管道和匿名管道一样，都是内存文件，只不过命名管道在磁盘有一个简单的映像，但这个映像的大小永远为0，因为命名管道和匿名管道都不会将通信数据刷新到磁盘当中。
使用命令创建命名管道
mkfifo命令创建一个命名管道
mkfifo fifo
创建一个命名管道
在程序中创建命名管道使用mkfifo函数，mkfifo函数的函数原型如下：
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
mkfifo函数的第一个参数是pathname，表示要创建的命名管道文件。
- 若pathname以路径的方式给出，则将命名管道文件创建在pathname路径下。
- 若pathname以文件名的方式给出，则将命名管道文件默认创建在当前路径下。（注意当前路径的含义）
mkfifo函数的第二个参数是mode，表示创建命名管道文件的默认权限。
命名管道的打开规则
1.如果当前打开操作是为读而打开FIFO时
- O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
- O_NONBLOCK enable：立刻返回成功
2.如果当前打开操作是为写而打开FIFO时
- O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
- O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO
用命名管道实现server&client通信
实现服务端(server)和客户端(client)之间的通信之前，需要先让服务端运行起来，我们需要让服务端运行后创建一个命名管道文件，然后再以读的方式打开该命名管道文件，之后服务端就可以从该命名管道当中读取客户端发来的通信信息了。
命名管道和匿名管道的区别
- 匿名管道由pipe函数创建并打开。
- 命名管道由mkfifo函数创建，由open函数打开。
- FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在于它们创建与打开的方式不同，一旦这些工作完成之后，它们具有相同的语义。
三、实现一个简单日志函数
补充前置知识可变参数就是如下的三个点。
可变参数
可变参数至少有一个具体的参数，先简单演示一个加法函数。
//可变参数，参数的个数是由用户控制的int sum(int n, ...) //n代表参数的个数{va_list s; //这个其实就是char*，用该指针对可变参数逐一进行提取va_start(s,n); //初始化s指针指向可变部分的起始地址nint sum=0;while(n) //参数的个数{sum+=va_arg(s,int); //第一个参数：s指针,第二个参数type，根据类型提参数(为了偏移量)n--;}va_end(s); //置空，s=NULL return sum;}//调用sum函数进行参数的相加int main(){//传入3个参数分别是2，5，8cout<<sum(3,2,5,8)<<endl; //输出：15//传入5个参数分别是2，5，8，4，9cout<<sum(5,2,5,8，4，9)<<endl; //输出：28 }return 0;
日志三个部分：日志等级、日志时间、日志信息内容
日志等级
显示是正常执行程序时发生的情况是正常还是报警等等。
info：常规消息
warning：报警消息
error：出错，可能需要立即处理
fatal：致命的错误
debug：调试
日志时间
认识几个库函数
#include <time.h>
time_t time(time_t *tloc); //返回值是时间戳//该接口是将获取的时间戳转换成我们能看懂的形式，传入参数转换成struct tm形式
struct tm *localtime(const time_t *timep);//它的成员变量
struct tm
{int tm_sec; /* Seconds (0-60) */int tm_min; /* Minutes (0-59) */int tm_hour; /* Hours (0-23) */int tm_mday; /* Day of the month (1-31) */int tm_mon; /* Month (0-11) */int tm_year; /* Year - 1900 */
};
具体实现
//1.调用库函数
#include <time.h>
time_t t=time(nullptr); //返回值是时间戳
struct tm *localtime(const time_t *timep); //转换时间戳为我们能看懂的形式
//简单打印的格式，我们常用到的年月日时分秒，注意年(1900)和月(0)的起始
void print()
{printf("%d-%d-%d %d:%d:%d\n",ctime->tm_year+1900,\ctime->tm_mon+1,ctime->tm_mday,ctime->tm_hour,ctime->tm_min,ctime->tm_sec);
}
这样我们就能实现基本的打印时间了
现在是光有日志时间然后然后再加上日志等级和日志内容，添加一下格式
- 日志格式（默认部分+自定义部分）
我们要将时间信息打印在一个文件里而不是打印在显示器。
再继续认识一下库函数
//可变参数的个数是由用户决定的
#include <stdio.h>
int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...); //可变部分对参数进行处理//区别是转换了可变参数部分
#include <stdarg.h>
int vsnprintf(char *str, size_t size, const char *format, va_list ap);
日志格式的实现
先将日志的默认部分和自定义部分各自放入对应数组添加信息，最后再将这两数组合并放入新数组
#define SIZE 1024//日志等级函数，将整数风格转换成字符串风格，为了更方便看到打印的日志等级
std::string levelToString(int level)
{switch(level){case Info:return "Info";case Debug:return "Debug";case Warrning:return "Warrning";case Error:return "Error";case Fatal:return "Fatal";default:return "None";}
}//日志参数：等级+格式
void logmessage(int level,const char *format, ...)
{ //默认部分(时间+等级)time_t t=time(nullptr); //返回值是时间戳struct tm* ctime=localtime(&t);char leftbuf[SIZE]; //存放默认部分//年份是按1900年开始，月份第0月，将这些信息放入leftbuf数组里，注意转换字符串的函数snprintf(leftbuf,sizeof(leftbuf),"[%s][%d-%d-%d %d:%d:%d]",levelToString(level).c_str(),\ctime->tm_year+1900,ctime->tm_mon+1,ctime->tm_mday,ctime->tm_hour,ctime->tm_min,ctime->tm_sec);//自定义部分(用户输入的部分)va_list s;va_start(s,format);char rightbuf[SIZE]; //存放自定义部分vsnprintf(rightbuf,sizeof(rightbuf),format,s);va_end(s);//存放日志的所有内容(默认部分+自定义部分)char logtxt[SIZE*2]; //将日志内容放入logtxt数组里snprintf(logtxt,sizeof(logtxt),"%s %s\n",leftbuf,rightbuf);printf("%s",logtxt); //将日志内容都打印到显示器
}
最后整理一下，添加了一些打印在文件的函数，把他们放入一个类里。
日志完整代码
#pragma once#include <iostream>
#include <time.h>
#include <stdarg.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>#define SIZE 1024//日志等级0~4
#define Info 0
#define Debug 1
#define Warrning 2
#define Error 3
#define Fatal 4#define Screan 1 //向显示器打印
#define Onefile 2 //向一个文件打印
#define Classfile 3 //分类打印#define logFile "log.txt"class Log
{
public:Log() {printMethod = Screan; //默认向显示器打印path="./log/";}void Enable(int method) //打印格式{printMethod = method;}//日志等级函数，将整数风格转换成字符串风格std::string levelToString(int level){switch (level){case Info:return "Info";case Debug:return "Debug";case Warrning:return "Warrning";case Error:return "Error";case Fatal:return "Fatal";default:return "None";}}/*//传入日志等级和内容void logmessage(int level, const char* format, ...){//默认部分(时间+等级)time_t t = time(nullptr); //返回值是时间戳struct tm* ctime = localtime(&t);char leftbuf[SIZE]; //存放默认部分//年份是按1900年开始，月份第0月，将这些信息放入leftbuf数组里，注意转换字符串的函数snprintf(leftbuf, sizeof(leftbuf), "[%s][%d-%d-%d %d:%d:%d]", levelToString(level).c_str(), \ctime->tm_year + 1900, ctime->tm_mon + 1, ctime->tm_mday, ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec);//自定义部分(用户输入的部分)va_list s;va_start(s, format);char rightbuf[SIZE]; //存放自定义部分vsnprintf(rightbuf, sizeof(rightbuf), format, s);va_end(s);//存放日志的所有内容(默认部分+自定义部分)char logtxt[SIZE * 2];//将日志内容放入logtxt数组里snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), "%s %s\n", leftbuf, rightbuf);//printf("%s", logtxt); //将日志内容都打印到显示器printLog(level,logtxt);}*/void printLog(int level,const std::string logtxt){switch(printMethod){case Screan:std::cout<<logtxt<<std::endl;break;case Onefile:printOneFile(logFile,logtxt);break;case Classfile:printClassFile(level,logtxt);break;default:break;}}void printOneFile(const std::string& logname,const std::string& logtxt){std::string _logname=path+logname;int fd=open(_logname.c_str(),O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0666); //log.txtif(fd<0) return; write(fd,logtxt.c_str(),logtxt.size());close(fd); }void printClassFile(int level,const std::string& logtxt){std::string filename=logFile; //默认文件名logFilefilename+=".";filename+=levelToString(level); //日志后缀，例如：log.txt.Debug/warningprintOneFile(filename,logtxt);}~Log(){}//重载后直接就能调用log了void operator()(int level,const cahr *format,...) {time_t t = time(nullptr); //返回值是时间戳struct tm* ctime = localtime(&t);char leftbuf[SIZE]; //存放默认部分//年份是按1900年开始，月份第0月，将这些信息放入leftbuf数组里，注意转换字符串的函数snprintf(leftbuf, sizeof(leftbuf), "[%s][%d-%d-%d %d:%d:%d]", levelToString(level).c_str(), \ctime->tm_year + 1900, ctime->tm_mon + 1, ctime->tm_mday, ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec);//自定义部分(用户输入的部分)va_list s;va_start(s, format);char rightbuf[SIZE]; //存放自定义部分vsnprintf(rightbuf, sizeof(rightbuf), format, s);va_end(s);//存放日志的所有内容(默认部分+自定义部分)char logtxt[SIZE * 2];//将日志内容放入logtxt数组里snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), "%s %s\n", leftbuf, rightbuf);//printf("%s", logtxt); //将日志内容都打印到显示器printLog(level,logtxt);}
private:int printMethod; //向显示器或文件打印的格式std::string path; //路径
};