TCP/IP网络编程之进程与进程间通信

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进程间通信基本概念

进程间通信意味着两个不同进程间可以交换数据，为了完成这一点，操作系统中应提供两个进程可以同时访问的内存空间。但我们知道，进程具有完全独立的内存结构，就连通过fork函数创建的子进程也不会和父进程共享内存，因此，进程间通信只能通过其他特殊方法完成。

基于管道实现进程间通信

图1-1表示基于管道(PIPE)的进程间通信结构模型

图1-1 基于管道的进程间通信模型

从图1-1可以看到，为了完成进程间通信，需要创建管道。管道并非属于进程资源，而是和套接字一样，属于操作系统资源(也就不是fork函数的复制对象)。下面介绍创建管道函数

#include 
int pipe (int filedes[2]);//成功时返回0，失败时返回-1 

• filedes[0]：通过管道接收数据时使用的文件描述符，即管道出口
• filedes[1]：通过管道传输数据时使用的文件描述符，即管道入口

以长度为2的int数组地址值作为参数调用上述函数时，数组中存有两个文件描述符，它们将被用作管道的出口和入口。父进程调用该函数时将创建管道，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，因此需要将入口和出口中的一个文件描述符传递给子进程，如何完成传递呢?答案还是调用fork函数。

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：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
• 第13行：接着调用fork函数，子进程将同时拥有通过12行函数调用获取的两个文件描述符。注意!复制的并非管道，而是用于管道I/O的文件描述符。至此，父子进程同时拥有I/O文件描述符
• 第16、20行：子进程通过第16行代码向管道传递字符串，父进程通过第20行代码从管道接收字符串

编译pipe1.c并运行

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

上述示例中的通信方法及路径如图1-2所示，重点在于，父子进程都可以访问管道的I/O路径，但子进程仅用输入路径，父进程仅用输出路径

图1-2 示例pipe1.c的通信路径

以上就是管道的基本原理及通信方法，应用管道时还有一部分内容需要注意，通过双向通信示例进一步说明

通过管道进行进程间双向通信

下面创建两个进程通过一个管道进行双向数据交换的示例，其通信方式如图1-3所示

图1-3 双向通信模型1

从图1-3可以看出，通过一个管道可以进行双向通信，但采用这种模型需格外小心，先给出示例，稍后再讨论。

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：子进程运行区域，通过第17行行传输数据，通过第19行接收数据。第18行的sleep函数至关重要，这一点稍后再讨论
• 第24~26行：父进程的运行区域，通过第24行接收数据，这是为了接收第17行子进程传输的数据。另外通过第26行传输数据，这些数据将被第19行的子进程接收
• 第27行：父进程先终止时会弹出命令提示符，这时子进程仍然在工作，故不会产生问题。这条语句主要是为了防止子进程终止前弹出命令提示符(故可删除)

编译pipe2.c并运行

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

运行结果和我们设想一致，不过如果尝试将18行的代码注释后再运行，虽然这行代码只将运行时间延迟了两秒，但一旦注释便会引发错误，是什么原因呢?

向管道传递数据时，先读的进程会把数据取走。简言之，数据进入管道后成为无主数据，也就是通过read函数先读取数据的进程将得到数据，即使该进程将数据传到了管道。因此，注释第18行将产生问题，在第19行，子进程将读回自己在第17行向管道发送的数据。结果父进程调用read函数后将无限期等待数据进入管道。

从上述示例可以看到，只用一个管道进行双向通信并非易事，为了简化在进行双向通信时，既然一个管道很难完成的任务，不如就让两个管道来一起完成?因此创建两个管道，各自负责不同的数据流动即可。其过程如图1-4所示

图1-4 双向通信模型2

由图1-4可知，使用两个管道可以解决单单通过一个管道来进行双向通信的麻烦，下面采用上述模型来改进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：创建两个管道
• 第17、33行：子进程可以通过数组fds1指向的管道向父进程传输数据
• 第18、25行：父进程可以通过数组fds2指向的管道向子进程传输数据
• 第26行：没有太大的意义，只是为了延迟父进程终止的插入的代码

编译pipe3.c并运行

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

运用进程间通信

上一节学习了基于管道的进程间通信方法，接下来将其运用到网络代码中。如前所述，进程间通信与创建服务端并没有直接关联，但有助于理解操作系统。

保存消息的回声服务端

扩展TCP/IP网络编程之多进程服务端(二)这一章的echo_mpserv.c，添加将回声客户端传输的字符串按序保存到文件中。我们可以将这个任务交给另外的进程，换言之，另行创建进程，从向客户端服务的进程字符串信息。当然，该过程需要创建用于接收数据的管道。

下面给出示例，该示例可以与任意回声客户端配合运行，我们将用之前介绍过的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行创建管道，第48行创建负责保存文件的进程
• 第49~62行：第49行创建的子进程运行区域，该区域从管道出口fds[0]读取数据并保存到文件中。另外，上述服务端并不终止运行，而是不断向客户端提供服务。因此，数据在文件中累计到一定程序即关闭文件，该过程通过第55行的循环完成
• 第80行：第73行通过fork函数创建的所有子进程将复制第47行创建的管道的文件描述符，因此，可以通过管道入口fds[1]传递字符串信息

编译echo_storeserv.c并运行

# 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 

运行结果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　　 

运行结果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! 

如上运行结果所示，启动多个客户端向服务端传输数据时，文件中累计一定数量的字符串后(共调用十次fwrite函数)，可以打开echomsg.txt存入字符串。