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## 第 11 章 进程间通信
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本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。
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进程间通信，意味着两个不同的进程中可以交换数据
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### 11.1 进程间通信的基本概念
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#### 11.1.1 通过管道实现进程间通信
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下图是基于管道（PIPE）的进程间通信的模型：
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可以看出，为了完成进程间通信，需要创建进程。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。
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```c
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#include <unistd.h>
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int pipe(int filedes[2]);
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/*
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成功时返回 0 ，失败时返回 -1
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filedes[0]: 通过管道接收数据时使用的文件描述符，即管道出口
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filedes[1]: 通过管道传输数据时使用的文件描述符，即管道入口
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*/
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```
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父进程调用函数时将创建管道，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：
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- [pipe1.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch11/pipe1.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <unistd.h>
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#define BUF_SIZE 30
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int main(int argc, char *argv[])
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{
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int fds[2];
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char str[] = "Who are you?";
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char buf[BUF_SIZE];
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pid_t pid;
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// 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
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pipe(fds);
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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
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if (pid == 0)
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{
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write(fds[1], str, sizeof(str));
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}
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else
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{
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read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
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puts(buf);
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}
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return 0;
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}
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```
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编译运行：
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```shell
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gcc pipe1.c -o pipe1
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./pipe1
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```
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结果：
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```
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Who are you?
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```
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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：
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#### 11.1.2 通过管道进行进程间双向通信
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下图可以看出双向通信模型：
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下面是双向通信的示例：
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- [pipe2.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch11/pipe2.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <unistd.h>
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#define BUF_SIZE 30
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int main(int argc, char *argv[])
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{
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int fds[2];
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char str1[] = "Who are you?";
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char str2[] = "Thank you for your message";
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char buf[BUF_SIZE];
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pid_t pid;
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pipe(fds);
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pid = fork();
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if (pid == 0)
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{
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write(fds[1], str1, sizeof(str1));
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sleep(2);
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read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
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||
printf("Child proc output: %s \n", buf);
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}
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||
else
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||
{
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read(fds[0], buf, BUF_SIZE);
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||
printf("Parent proc output: %s \n", buf);
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||
write(fds[1], str2, sizeof(str2));
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sleep(3);
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}
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return 0;
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}
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```
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编译运行：
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```shell
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gcc pipe2.c -o pipe2
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./pipe2
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```
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结果：
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```
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Parent proc output: Who are you?
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Child proc output: Thank you for your message
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```
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运行结果是正确的，但是如果注释掉代码中子进程里的 `sleep(2);`（第18行），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，即使该进程将数据传到了管道。因为，注释掉 `sleep(2);` 会产生问题。子进程可能读回自己向管道发送的数据。结果父进程调用 read 函数后，无限期等待数据进入管道。
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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：
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下面采用上述模型改进 `pipe2.c` 。
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- [pipe3.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch11/pipe3.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <unistd.h>
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#define BUF_SIZE 30
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||
int main(int argc, char *argv[])
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||
{
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int fds1[2], fds2[2];
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||
char str1[] = "Who are you?";
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||
char str2[] = "Thank you for your message";
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char buf[BUF_SIZE];
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pid_t pid;
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pipe(fds1), pipe(fds2);
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pid = fork();
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if (pid == 0)
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||
{
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write(fds1[1], str1, sizeof(str1));
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read(fds2[0], buf, BUF_SIZE);
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printf("Child proc output: %s \n", buf);
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||
}
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||
else
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||
{
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||
read(fds1[0], buf, BUF_SIZE);
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||
printf("Parent proc output: %s \n", buf);
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write(fds2[1], str2, sizeof(str2));
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||
}
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return 0;
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}
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```
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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。
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### 11.2 运用进程间通信
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#### 11.2.1 保存消息的回声服务器
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下面对第 10 章的 [echo_mpserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch10/echo_mpserv.c) 进行改进，添加一个功能：
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> 将回声客户端传输的字符串按序保存到文件中
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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：
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- [echo_storeserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch11/echo_storeserv.c)
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编译运行：
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```shell
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gcc echo_storeserv.c -o serv
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./serv 9190
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```
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此服务端配合第 10 章的客户端 [echo_mpclient.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch10/echo_mpclient.c) 使用，运行结果如下图:
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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了下来，只保存了10次消息。
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### 11.3 习题
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> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。
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1. **什么是进程间通信？分别从概念和内存的角度进行说明。**
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答：进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）是指两个不同的进程间可以交换数据的机制。从概念上讲，它允许独立运行的进程之间传递信息、同步操作。从内存角度来说，由于每个进程都有自己独立的内存地址空间，进程间无法直接访问彼此的内存，因此需要操作系统提供特殊的共享内存区域或通信机制（如管道、共享内存、消息队列等），通过这个内核提供的缓冲区来进行数据交换。
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2. **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？**
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答：进程间通信需要操作系统的帮助是因为：每个进程都有独立的内存地址空间，进程之间无法直接访问对方的内存。IPC 机制（如管道）属于操作系统内核管理的资源，而非单个进程的资源。通过 fork 函数复制的是文件描述符，而非管道本身。因此，两个进程必须通过操作系统提供的内核缓冲区来实现数据交换。
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3. **「管道」是典型的 IPC 技法。关于管道，请回答以下问题：**
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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？**
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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。
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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？**
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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。
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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？**
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答：向管道传输数据时，先调用 read 函数的进程会把数据取走。换言之，数据进入管道后会变成无主数据，任何连接到该管道的进程都可以读取。因此，在使用单个管道进行双向通信时，一个进程可能会读取到自己写入的数据，导致另一个进程无限等待。为了避免这个问题，通常需要创建两个管道，各自负责不同方向的数据流动。
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