管道

管道的概念

本质
- 内核缓冲区
- 伪文件：不占用磁盘空间
特点
- 两部分
  - 读端，写端，对应两个文件描述符
  - 数据写端流入，读端流出
- 操作管道的进程被销毁之后，管道占用的内存空间自动被释放了
- 管道默认是阻塞的，读写都是阻塞的。
管道的原理
- 内部实现方式：队列
  - 环形队列
  - 队列的特点是先进先出
- 内核缓冲区大小
  - 默认为4k
  - 大小会根据实际情况做适当调整
管道的局限性
- 队列
  - 数据只能读取一次，不能重复读取
- 半双工
- 匿名管道
  - 适用于有血缘关系的进程
创建匿名管道
- int pipe(int fd[2]);
  - 返回值：如果匿名管道创建成功，返回0。
  - man pipe 2查看说明文档
  - fd[0]为读端文件描述符，fd[1]为写端文件描述符
父子进程使用管道通信
- 父进程间通信，实现ps aux | grep bash
  - 数据重定向：dup2
  - exclp
  - 注意事项：父进程读，关闭写端；父进程写，关闭读端
- 兄弟进程间通信，实现ps aux | grep bash
- 父子进程间通信是否需要sleep函数
  - 父进程写，写得慢
  - 子进程读，读得快
- 兄弟进程间通信
  - 父进程-资源回收

管道的读写行为

读操作
- 有数据
  - read(fd)-正常读，返回读出的字节数
- 无数据
  - 写端全部关闭
    read解除阻塞，返回0，相当于读文件读到了尾部
  - 写端尚未全部关闭
    read阻塞
写操作
- 读端全部关闭
  - 管道破裂，进程被终止
    内核给当前进程发信号SIGPIPE
    kill -l 可以查看信号
- 读端尚未全部关闭
  - 缓冲区写满了
    write阻塞
  - 缓冲区没有满
    write继续写直到缓冲区满
如何设置非阻塞
- 默认读写两端都阻塞
- 设置读端为非阻塞pipe(int fd[2])
- fcntl - 变参函数
  - 复制文件描述符-dup
  - 修改文件属性-open的时候对应的flag
- 设置方法：
  获取原来的flags
  int flags = fcntl(fd[0], F_GETFL);
  // 设置新的flags
  flags |= O_NONBLOCK;
  fcntl(fd[0], F_SETFL, flags);

查看管道缓冲区大小

ulimit -a
- ulimit用于限制shell启动进程所占用的资源，包括一各种类型的限制：所创建的内核文件的大小、进程数据块的大小、shell进程所创建文件的大小、内存锁住的大小、常驻内存集的带下、打开文件描述符的数量、分配堆栈的最大大小、CPU时间、单个用户的最大线程数、Shell进程所能使用的最大虚拟内存。
fpathconf函数

FIFO

特点
- 有名管道
- 在磁盘上有这样一个文件ls -l -> p
- 伪文件，在磁盘大小永远为0
- 在内核中有一个对应的缓冲区
- 半双工的通信方式
使用场景
- 没有亲缘关系的进程间通信
创建方式
- 命令：mkfifo 管道名
- 函数：mkfifo
fifo文件可以使用IO函数进行操作
- open/close
- read/write
- 不能执行lseek
进程间通信
- 两个不相干的进程A（a.c） B（b.c）
- a.c -> read
  - int fd = open(“myfifo”, O_RDONLY);
  - read(buf, sizeof(buf));
  - close(fd);
  b.c –> write
  int fd1 = open(“myfifo”, O_WRONLY);
  write(fd1, “hello world”);

内存映射区

mmap创建内存映射区。

mmap-创建内存映射
- 作用：将磁盘文件的数据映射到内存，用户通过修改内存就能修改磁盘文件。
- 函数头文件#include<mman.h>
- 函数原型：
  1
  void* mmap(void * adrr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
  void *mmap(void *adrr, // 映射区首地址，传入NULL
  size_t length, // 映射区的大小，不能为0，实际分配的应该是4k的倍数，为什么呢？
  int prot, // 映射区权限
  - PROT_READ // 映射区必须有读权限
  - PROT_WRITE // 可选
  - PROT_READ | PROT_WRITE
  int flags, // 标志位参数
  - MAP_SHARED
    - 修改了内存数据会同步到磁盘
  - MAP_PRIVATE
    - 修改了内存数据，数据不会同步到磁盘
  int fd, // 文件描述符
  - 要映射的文件对应的文件描述符，这个文件描述符是通过对文件进行open操作得到的。
  off_t offset, // 映射文件的偏移量
  - 映射时文件指针的偏移量，必须是4k的整数倍
  );
- 返回值
  - 调用成功时，返回映射区的首地址
  - 调用失败时，返回MAP_FAILED，其实就是一个(void*)-1
munmap-释放内存映射区
- 函数原型：int munmap(void* addr, size_t length);
  - addr-mmap的返回值，映射区的首地址
  - length-mmap的第二个参数，映射区的长度
思考题
- 如果open时指定O_RDONLY，mmap时prot参数指定PROT_READ | PROT_WRITE会怎样？
  - mmap调用失败
  - open文件指定的权限应该大于等于mmap第三个参数prot指定的权限
- 如果文件偏移量为1000会怎么样？
  - 文件偏移量必须是4k（4096）的整数倍
- mmap什么时候会调用失败？
  - 第二个参数length=0
  - 第三个参数必须指定PROT_READ
    - fd对应的打开权限必须大于等于prot指定的权限
  - 偏移量必须是4096的整数倍
- 可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区？
  - 可以，但是需要做文件拓展
    - lseek
    - truncate(path, length)
- mmap后关闭文件描述符，对内存映射区有没有影响？
  - 没有影响
- 对ptr越界操作，ptr是mmap的返回值，即映射区的首地址？
  - 段错误（操作非法内存）
进程间通信
- 有亲缘关系的
  - 父子进程共享内存映射区
- 没有亲缘关系的
  - 如何通信？
mmap实现内存映射
- 必须有一个文件
- 文件数据什么时候有用
  - 单纯文件映射
  - 进程间通信
    - 文件数据是没有用的
父子进程永远共享的有哪些？
- 文件描述符
- 内存映射区

示例

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    // 创建内存映射区
    int fd = open("english.txt", O_RDWR);

    // 获取一个文件的大小
    int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    void *ptr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }
    printf("%s", (char *) ptr);
    
    // 释放文件映射区
    munmap(ptr, len);
    close(fd);

    return 0;
}

lseek当第三个参数whence为SEEK_END，则该文件的文件偏移量设置为文件长度加offset。若函数成功执行，返回新的文件偏移量。所以，当whence为SEEK_END, offset为0时,返回当前文件的长度。

参考文献

[1]ulimit：https://man.linuxde.net/ulimit