目录

一、进程间通信的理解

1.为什么进程间要通信

2.如何进行通信

二、匿名管道

1.管道的理解

2.匿名管道的使用

3.管道的五种特性

4.管道的四种通信情况

5.管道缓冲区容量

三、进程池

1.进程池的理解

2.进程池的制作

四、源码 

1.ProcessPool.hpp

2.Task.hpp

3.test.cc

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        本文旨在分享我对管道技术的理解和见解。由于个人知识和经验的限制，文中可能存在错误或遗漏。我真诚地邀请各位读者在阅读过程中发现任何问题时，指出错误并提供宝贵的意见。您的反馈将是我不断进步和完善的重要动力。

一、进程间通信的理解

1.为什么进程间要通信

        首先进程之间是相互独立的，尽管是父子进程之间，它们虽然资源共享，但当子进程需要修改数据时仍然需要进行写时拷贝，保持独立性。

        而让进程间通信可以实现数据之间的交互，资源共享，事件通知，又或者是让一个进程对另一个进程进行控制。

        进程间通信是操作系统中实现进程间协作和数据交换的重要机制，它使得多个进程能够共同完成任务，提高系统的效率和可靠性。

2.如何进行通信

        进程间通信的原理其实很简单，只需要两个进程共同访问一个资源，而一个进程对资源的更改能被另一进程感知到，从而做出相应的操作。

        所以通信的前提是进程之间能够访问同一个资源，而且该资源是公共的，而不是某进程内部的。

二、匿名管道

1.管道的理解

        我们把进程之间通信的介质（资源）叫作管道。开发者在设计管道技术时文件系统已经比较成熟，所以为了方便管理该资源就使用文件来实现，而对文件的读写就是通信的过程，但它与一般的文件还是有些区别，文件都是储存到磁盘上的，而进程之间通信用的文件并不需要把它储存到磁盘上，它只是作为一个传输介质。

        它比较特殊，所以起名为管道。管道其实是一个内存级的文件。

        注意：父子进程之间的管道叫作匿名管道，顾名思义就是没有名字，也不需要名字，因为子进程能够继承下来父进程开辟的管道资源。 

2.匿名管道的使用

创建匿名管道常用的接口是：

                int pipe(int pipefd[2]);

需要包含头文件：

                #include<unistd.h>

• 返回值：创建成功返回0，失败返回-1
• 参数：这个是一个输出型参数，传入一个int类型长度为2的数组，然后得到pipefd[0]：以读的方式打开的文件描述符，pipefd[1]：以写的方式打开的文件描述符。

示例：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{int pipefd[2];pipe(pipefd);int rfd = pipefd[0],wfd = pipefd[1];pid_t id = fork();if(id == 0){close(wfd);//关闭子进程的写文件，只让它读int k=0;while(true){read(rfd,&k,sizeof(k));printf("read:%d\n",k);}}else{close(rfd);//关闭父进程的读文件，只让它写。int num=0;while(true){write(wfd,&num,sizeof(num));num++;sleep(1);}}return 0;
}

        因为只是一个小测试，代码写的并不严谨（没有检查调用是否成功，没有关闭文件，没有进程等待）大家不用太在意，能说明问题就行。

        要记住pipefd[2]中哪个是读哪个是写有一个小技巧，0像嘴巴，所以下标为0的是读，1像钢笔，所以1下标是写。

3.管道的五种特性

1. 匿名管道，只能用来进行具有血缘关系的进程间通信（用于父与子）。
2. 管道文件，自带同步机制。如上代码示例，父进程写一次休眠一秒，而子进程是一直不断地读，快的一端会迁就于慢的一端，最后实现同步。
3. 管道是面向字节流的。怎么读与怎么写并没有联系，比如写入“hello world”，但可能读到“hel”，这取决于你要读多少字节。
4. 管道是单向通信的。也就是a（表示进程）写的时候b读。b写的时候a在读。而不是既在写同时也在读。
5. 管道（文件）的生命周期是随进程的。进程结束管道也随之销毁。

4.管道的四种通信情况

1. 写慢，读快 --- 读端就要阻塞（等待写端写入）。
2. 写快，读慢 --- 到管道容量满了后，写端就要阻塞（等待读端读取数据，然后就可以覆盖式地继续往管道写入）。
3. 写关闭，读继续 --- read就会返回0，表示文件结尾。
4. 写继续，读关闭 --- 写端不再有意义，系统会杀掉写端进程。

5.管道缓冲区容量

        管道缓冲区容量为64kb，大家可以根据管道的性质与通信特点，自行进行测试，我这里就不再展示。

三、进程池

1.进程池的理解

        在程序使用内存的时候，比如vector扩容机制，会提前给你开辟一块空间供你使用，尽管现在用不到，相当于做一下预备。减少开辟空间的频次，从而达到提高效率的效果。

        那么进程池也同样，给父进程提前开辟一些子进程，提供父进程使用。其中我们使用匿名管道建立联系。

        在父进程给子进程派发任务时，为了提高效率会让每个子进程均匀地分配到任务（称为负载均匀），而不是把大部分的任务都派发到一个子进程上，通常会有以下策略：

• 轮询：按顺序一一分配。
• 随机：随机进行分配。
• 负载因子：设计一个负载因子，让子进程按负载因子的大小排成一个小根堆，每次取出堆头的子进程派发任务，然后更新负载因子插回到堆中。

2.进程池的制作

        在面向对象的编程中最重要的就是对对象的描述与组织，这里我们的核心就是对管道进行管理。那么首先需要一个类对管道进行描述。

class Channel
{
public:Channel(int wfd, int id) : _wfd(wfd), _id(id){}//... ...~Channel(){}
private:int _wfd;int _id;
};

_wfd是该管道对应写端的fd，_id是该管道对应的子进程的pid。 

        这里我们不必把rfd（读端fd）加入，因为我们现在对管道的描述组织，目的是方便父进程管理，而rfd是给子进程用的，所以不用添加为变量。

        这里我们就以轮询的方式派发任务，刚才创建的Channel相当于对管道的描述，接下来创建ChannelManage进行组织。这里选择使用数组来管理，派发任务方式选择轮询，所以需要记录下一个需要派发到的管道的下标。

class ChannelManage
{
public:ChannelManage():_next(0){}//... ...~ChannelManage(){}
private:vector<Channel> _channels;int _next;
};

接下来还需要创建一个类对整体的进程池做管理。

class ProcessPool
{
public:ProcessPool(int num) : _n(num){}// ... ...~ProcessPool(){}
private:ChannelManage _cm;int _n;
};

其中_n表示需要创建多少子进程，这是由使用者来决定的。

在ProcessPool中我们准备实现这些方法

• void Create()：用于创建子进程。

        由于我们是要生成多个通道所以需要循环来进行，而单趟循环需要做以下这些操作：

        1.创建管道，然后创建子进程。（这样能让子进程继承到管道信息）

        2.关于子进程：写端关闭，然后执行Work()，最后把读端关闭，并exit退出。

        3.关于父进程：读端关闭，然后把wfd，pid存入_cm中。

• void Work(int  rfd)：用于子进程读取任务码并执行命令。
• void Run()：用于获取并派发任务。
• void Stop()：用于关闭写端并回收子进程。

最后为方便测试我们还需要一个管理任务的类和方法。我们可以单独创建一个Task.hpp文件。

class TaskManage
{
public:TaskManage(){   //随机数种子srand((unsigned int)time(nullptr));}int GetCode(){   //随机生成任务码（数组下标）return rand()%_tasks.size();}void ExeTask(int code){   //执行任务_tasks[code]();}// ... ...~TaskManage(){}
private:vector<function<void()>> _tasks;//用于储存任务的数组
};

        然后需要在ProcessPool中放入TaskManage成员变量，并在ProcessPool的构造函数中完成对_tasks中内容的插入。具体操作参考下面源码。

四、源码 

1.ProcessPool.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstdio>
#include <sys/wait.h>
#include <vector>
#include "Task.hpp"
#define NUM 5
using namespace std;
class Channel
{
public:Channel(int wfd, int id) : _wfd(wfd), _id(id){}void Write(int code){write(_wfd,&code,sizeof(code));}void Close(){close(_wfd);}void WaitPid(){waitpid(_id,nullptr,0);cout<<"等待进程"<<_id<<"成功"<<endl;}~Channel(){}private:int _wfd;int _id;
};
class ChannelManage
{
public:ChannelManage():_next(0){}void Insert(int wfd, int id){_channels.emplace_back(wfd, id);}int GetChannel()//轮询访问子进程{int tmp = _next;_next++;_next %= _channels.size();return tmp;}void WriteManage(int code,int index){_channels[index].Write(code);}void Close(){for(int i=0;i<_channels.size();i++){_channels[i].Close();}}void WaitPid(){for(int i=0;i<_channels.size();i++){_channels[i].WaitPid();}}~ChannelManage(){}
private:vector<Channel> _channels;int _next;
};class ProcessPool
{
public:ProcessPool(int num) : _n(num){_tm.InsertTask(PrintLog);_tm.InsertTask(Download);_tm.InsertTask(Upload);}void Work(int rfd){while (true){int code;ssize_t n = read(rfd, &code, sizeof(code));if (n > 0){if(n != sizeof(code)) continue;else{//执行任务_tm.ExeTask(code);}}else{cout<<"子进程"<<getpid()<<"退出"<<endl;break;}}}void Create(){for (int i = 0; i < _n; i++){int pipefd[2];pipe(pipefd);pid_t id = fork();if (id == 0){close(pipefd[1]);Work(pipefd[0]);close(pipefd[0]);exit(0);}else{close(pipefd[0]);_cm.Insert(pipefd[1], id);}}}void Run(){int ChannelCode = _cm.GetChannel();int TaskCode = _tm.GetCode();_cm.WriteManage(TaskCode,ChannelCode);}void Stop(){_cm.Close();_cm.WaitPid();}~ProcessPool(){}
private:ChannelManage _cm;int _n;TaskManage _tm;
};

2.Task.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <functional>
#include <ctime>
#include <cstdlib>
using namespace std;
void PrintLog()
{std::cout << "我是一个打印日志的任务" << std::endl;
}void Download()
{std::cout << "我是一个下载的任务" << std::endl;
}void Upload()
{std::cout << "我是一个上传的任务" << std::endl;
}
class TaskManage
{
public:TaskManage(){srand((unsigned int)time(nullptr));}void InsertTask(void(*fun)()){_tasks.push_back(fun);}int GetCode(){return rand()%_tasks.size();}void ExeTask(int code){_tasks[code]();}~TaskManage(){}
private:vector<function<void()>> _tasks;
};

3.test.cc

#include "ProcessPool.hpp"
int main()
{ProcessPool pp(NUM);pp.Create();int k = 10;while(k--){pp.Run();}pp.Stop();return 0;
}