Python进程间的通信之管道通信：os.pipe

前言

  进程(process)是系统进行资源分配和调度的基本单位，每个进程都有自己的地址(内存)空间（由CPU分配），处于安全的考虑，不同进程之间的内存空间是相互隔离的，也就是说 进程A 是不能直接访问 进程B 的内存空间。但某些场景下，不同进程间需要相互通信，该怎么办呢？即然进程间不能直接通信，那就借助第三方来完成通信，这个第三方就是系统的内核。
  内核提供了多种方式来完成进程间的通信，比如管道、消息队列、共享内存、信号量等。本文主要介绍 管道(pipe) 的原理及os.pipe()实现。

  ps: 本文中的代码需要在linux系统中运行。

1. 模拟管道通信

  管道本质上就是内核中的一个缓存，当进程创建一个管道后，系统会返回两个文件描述符，可以通过这两个描述符往管道写入数据或者读取数据。管道是一种单向通信，即管道的一端只用于读数据，另一端只用于写数据，只有写完数据之后另一个进程才能去读。
  模拟一下管道的读数据和写数据：

import os

input_data = 'hello world!'.encode('utf-8')

if __name__ == '__main__':
    r, w = os.pipe()	# 创建管道

    os.write(w, input_data)		# 向管道写入数据
    # os.close(w)

    # 如果没有数据会进入等待状态(阻塞)
    output_data = os.read(r, len(input_data))	# 从管道中读数据
    print(output_data.decode('utf-8'))
    # os.close(r)
# hello world!

  os.pipe() 创建一个管道，返回一对分别用于读取和写入的文件描述符(r, w)，新的文件描述符是 不可继承 的。
  os.read(fd, n) 从文件描述符 fd 中读取至多 n 个字节，返回所读取字节的字节串(bytestring)，如果到达了 fd 指向的文件末尾，则返回空字节对象。
  os.write(fd, str) 将 str 中的字节串(bytestring)写入文件描述符 fd，返回实际写入的字节数。

  os.read(fd, n) 和 os.write(fd, str) 适用于低级 I/O 操作，必须用于 os.open() 或 pipe() 返回的文件描述符。

  除了上述对管道进行读写外，os库还提供了fdopen()函数来创建文件对象，再使用对象来进行相关操作。

import os
import struct

input_data = 'hello world!'.encode('utf-8')

if __name__ == '__main__':
    r, w = os.pipe()

    writer = os.fdopen(w, 'wb')
    writer.write(input_data)	# 写入数据
    writer.flush()  # 刷新(写入数据之后必须手动刷新)
    # writer.close()

    reader = os.fdopen(r, 'rb')
    output_data = reader.read(len(input_data))		# 读取数据
    print(output_data.decode('utf-8'))
    # reader.close()
# hello world!

  os.fdopen(fd, *args, **kwargs) 返回打开文件描述符 fd 对应文件的对象，类似 open() 函数，二者接受同样的参数，不同之处在于 fdopen() 第一个参数是整数(文件描述符是整数类型的)。

2. 实现进程间的单向通信

  进程间的管道通信过程大致如下：
  (1) 父进程使用 pipe函数 通过系统调用创建一个管道；
  (2) 父进程使用 fork 函数 通过系统调用创建两个子进程；
  (3) 两个子进程可以通过管道进行通信。

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  这里简化生产者与消费者的例子来模拟进程间的单向通信，main 代码实现如下：

# main.py
import os
import sys
import subprocess


if __name__ == '__main__':
    r, w = os.pipe()

    cmd1 = [sys.executable, "-m", "consumer", str(r)]
    cmd2 = [sys.executable, "-m", "producer", str(w)]

    proc1 = subprocess.Popen(cmd1, pass_fds=(r, ))     # 在一个新的进程中执行子程序
    proc2 = subprocess.Popen(cmd2, pass_fds=(w, ))
    
    print('parent process pid: ', os.getpid())
    print('child process pid(proc1): ', proc1.pid)
    print('child process pid(proc2): ', proc2.pid)

    proc1.wait()   # 等待子进程被终止
    proc2.wait()

  producer 代码实现如下：

"""负责写数据"""
import os
import sys
import struct

writer = os.fdopen(int(sys.argv[1]), "wb")

input_data = 'hello world!'.encode('utf-8')

writer.write(struct.pack("<i", len(input_data)))  # 小端模式, 低地址存储 b'\x05\x00\x00\x00'
writer.write(input_data)
writer.flush()  # 刷新(写入数据之后必须手动刷新)

print('input data: ', input_data.decode('utf-8'))

  consumer 代码实现如下：

"""负责读数据"""
import os
import sys
import struct


reader = os.fdopen(int(sys.argv[1]), "rb")

len_data = reader.read(4)  # int占用4个字节
recv_bytes = struct.unpack("<i", len_data)[0]
output_data = reader.read(recv_bytes)

print('output data: ', output_data.decode('utf-8'))

  运行结果如下：

3. 实现进程间的双向通信

  如果使用os.pipe()函数实现双向通信，则需要创建两个管道。

  main 代码实现如下：

# main2.py
import os
import sys
import subprocess

if __name__ == '__main__':
    # connect subprocess with a pair of pipes
    worker1_read, worker2_write = os.pipe()
    worker2_read, worker1_write = os.pipe()

    cmd1 = [sys.executable, "-m", "client", str(worker1_read), str(worker1_write)]
    cmd2 = [sys.executable, "-m", "server", str(worker2_read), str(worker2_write)]

    proc1 = subprocess.Popen(cmd1, pass_fds=(worker1_read, worker1_write))  # 在一个新的进程中执行子程序
    proc2 = subprocess.Popen(cmd2, pass_fds=(worker2_read, worker2_write))

    print('parent process pid: ', os.getpid())
    print('child process pid(proc1): ', proc1.pid)
    print('child process pid(proc2): ', proc2.pid)

    proc1.wait()  # 等待子进程被终止
    proc2.wait()

  client 代码实现如下：

import os
import sys
import struct

reader = os.fdopen(int(sys.argv[1]), "rb")
writer = os.fdopen(int(sys.argv[2]), "wb")

pid = os.getpid()
send_info = '[{}]hello server!'.format(pid).encode('utf-8')

print('pid[{}] send info: {}'.format(pid, send_info.decode()))
writer.write(struct.pack("<i", len(send_info)))  # 小端模式, 低地址存储 b'\x05\x00\x00\x00'
writer.write(send_info)
writer.flush()  # 刷新(写入数据之后必须手动刷新)

len_data = reader.read(4)  # int占用4个字节
recv_bytes = struct.unpack("<i", len_data)[0]
recv_data = reader.read(recv_bytes)
print('pid[{}] recv info: {}'.format(pid, recv_data.decode()))

  server 代码实现如下：

import os
import sys
import struct

reader = os.fdopen(int(sys.argv[1]), "rb")
writer = os.fdopen(int(sys.argv[2]), "wb")

pid = os.getpid()
send_info = '[{}]hello client!'.format(pid).encode('utf-8')

len_data = reader.read(4)  # int占用4个字节
recv_bytes = struct.unpack("<i", len_data)[0]
recv_data = reader.read(recv_bytes)
print('pid[{}] recv info: {}'.format(pid, recv_data.decode()))

print('pid[{}] send info: {}'.format(pid, send_info.decode()))
writer.write(struct.pack("<i", len(send_info)))  # 小端模式, 低地址存储 b'\x05\x00\x00\x00'
writer.write(send_info)
writer.flush()  # 刷新(写入数据之后必须手动刷新)

  运行结果如下：

结束语

  os.open()函数与open()函数的区别：
    os.open()是通过os库调用操作系统来打开文件，而open()函数是 python 自带的函数，它是通过 python 程序来打开文件的，可以理解为是对低阶os.open()的封装。