Linux进程间通信之匿名管道

进程间通信介绍

1. 进程间通信的目的

Linux进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）的主要目的是使不同的进程能够协同工作、共享信息和资源，以便完成各种任务。IPC 在多进程或多线程的应用程序中是至关重要的，因为它允许进程之间进行数据传输、同步和协调操作。以下是一些主要的目的和应用场景：

1. 数据共享：进程之间通信的一个主要目的是允许它们共享数据。这对于多个进程需要访问相同数据的应用程序非常重要，如数据库服务器或共享内存。
2. 协调操作：多个进程可能需要协同工作以完成某些任务，IPC 可以用于确保它们按照特定顺序执行操作。例如，进程 A 可能需要等待进程 B 完成某项任务后才能继续执行。
3. 通知和事件：IPC 可以用于实现事件通知机制，其中一个进程可以通知其他进程有关特定事件的信息。这对于消息传递、信号、套接字或消息队列非常有用。
4. 进程间数据传输：IPC 允许进程在彼此之间传输数据。这在分布式计算、网络通信和进程间通信的应用中非常重要。
5. 进程间同步：IPC 提供了机制来协调多个进程之间的操作，以避免竞争条件和数据不一致。例如，互斥锁、信号量和条件变量可以用于进程同步。
6. 进程管理：IPC 也可以用于进程管理和控制。一个进程可以通过IPC与另一个进程通信，请求其启动、终止或传递信息。
7. 分布式计算：在分布式系统中，不同的进程可能在不同的计算节点上运行。IPC 允许这些进程协同工作，共享资源和信息。

2. 进程间通信发展

进程间通信（IPC）是操作系统中的一个重要概念，它允许不同的进程之间交换数据和协作。IPC 方法的发展经历了不同的阶段和技术。在 Linux 和其他类 Unix 操作系统中，主要有以下三个重要的 IPC 机制：管道、System V IPC 和 POSIX IPC。这些机制有不同的特点和用途，它们一起构成了进程间通信的演进历史。

1. 管道：
   • 管道是最早的 IPC 机制之一，最早出现在 Unix 系统中。管道用于在同一台计算机上的不同进程之间传输数据，通常是通过管道操作符 | 来连接命令。
   • 管道是单向的，只能在一个方向上传输数据，通常用于将一个进程的输出连接到另一个进程的输入，实现数据流的传递。
   • 管道不适用于跨计算机的通信，它主要用于在本地系统内部进行进程协作。
   • 管道分类
     • 匿名管道pipe
     • 命名管道
2. System V 进程间通信：
   • System V IPC 是一组进程间通信机制，包括消息队列、信号量和共享内存。这些机制允许进程在不同计算机上或同一计算机上进行通信和同步。
   • 消息队列用于在不同进程之间传递消息，信号量用于控制多个进程对共享资源的访问，而共享内存允许多个进程在共享的内存区域中进行数据交换。
   • System V IPC 提供了更灵活的进程间通信方式，适用于不同场景，但也相对复杂。
   • System V IPC 分类
     • System V 消息队列
     • System V 共享内存
     • System V 信号量
3. POSIX 进程间通信：
   • POSIX 进程间通信是一组与 POSIX 标准相关的 IPC 机制，包括命名管道、信号、信号量和共享内存。这些机制是为了提供跨平台的 IPC 解决方案。
   • POSIX IPC 保留了 System V IPC 的一些特性，同时也引入了新的机制，例如命名管道，以简化进程间通信的实现。
   • 由于 POSIX 进程间通信是与 POSIX 标准兼容的，因此可以在不同的 Unix-like 操作系统上实现，提供了跨平台的进程间通信能力。
   • POSIX IPC 分类
     • 消息队列
     • 共享内存
     • 信号量
     • 互斥量
     • 条件变量
     • 读写锁

这篇文章我们先介绍管道通信中的匿名管道pipe

什么是管道

在计算机科学中，管道（Pipe）是一种进程间通信（IPC）机制，用于在一个进程的输出流直接传递到另一个进程的输入流，实现数据的传输和协作。管道通常用于将多个命令或进程连接在一起，其中一个命令的输出成为另一个命令的输入。这种机制非常有用，因为它可以将多个小任务组合成一个更大的任务，实现数据流的传递和处理

在 Unix/Linux 操作系统中，管道通常通过管道操作符 | 来实现，它将两个或多个命令连接在一起，使其执行时将数据从一个命令传递到下一个命令。以下是一个简单的示例：

假设你有一个名为 input.txt 的文本文件，其中包含一些文本数据。您希望将该数据按行排序，然后查找包含特定关键字的行。您可以使用管道将 sort 命令和 grep 命令连接起来完成这个任务：

cat input.txt | sort | grep "关键字"

在这个示例中，cat 命令用于将文件的内容读取并将其传递给 sort 命令，sort 命令对文本进行排序，并将结果传递给 grep 命令，grep 命令查找包含特定关键字的行。整个操作是通过管道实现的，数据从一个命令流向下一个命令，形成数据处理流。

管道的主要特点包括：

1. 数据传递：管道允许数据在不同命令或进程之间传递，使它们可以进行处理。
2. 连接命令：多个命令可以通过管道连接在一起，实现协作处理。
3. 实时处理：数据流是实时的，不需要等待整个数据文件被处理完。
4. 节省资源：不需要在磁盘上创建中间文件，可以节省磁盘和内存资源。

管道是 Unix/Linux 系统中强大的工具，它可以用于构建复杂的数据处理流程，从简单的文本处理到复杂的系统管理任务。它在 shell 脚本和命令行中被广泛使用，以提高任务的效率和可组合性。

匿名管道

1. 什么是匿名管道

匿名管道（Anonymous Pipe）是一种轻量级的进程间通信（IPC）机制，用于在同一计算机上的两个相关进程之间传递数据。匿名管道被称为“匿名”是因为它们没有独立的文件系统路径或标识符，而是在内存中创建的通道，用于实现进程之间的数据传递。

匿名管道通常是单向的，支持从一个进程的输出流传递数据到另一个进程的输入流。它们是进程通信的一种基本方式，特别适用于父子进程之间的通信。

在 Unix/Linux 操作系统中，匿名管道通常由 pipe() 系统调用创建。一旦管道被创建，两个相关的进程（通常是父子进程）可以使用管道进行通信。一个进程可以将数据写入管道，而另一个进程可以从管道中读取数据。

匿名管道的典型用途包括：

1. 进程通信：父进程和子进程之间可以使用匿名管道来传递数据，实现协作和数据共享。
2. 管道命令：在命令行中，您可以使用管道操作符 | 来将一个命令的输出连接到另一个命令的输入，这背后就是匿名管道的工作机制。
3. 进程控制：父进程可以通过管道向子进程发送命令或指令，实现进程控制。
4. 数据传输：用于在进程之间传递数据，如文本、二进制数据或其他格式的信息。

请注意，匿名管道只能在有关的进程之间使用，通常用于协作性任务。如果需要在不相关的进程之间进行通信，或者需要更复杂的通信机制，可以考虑其他进程间通信机制，如命名管道、System V IPC 或网络套接字。

#include <unistd.h>
功能:创建一无名管道
原型
int pipe(int fd[2]);
参数
fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值:成功返回0，失败返回错误代码

pipe 函数的原型如下：

#include <unistd.h>

int pipe(int filedes[2]);

参数 filedes 是一个包含两个整数的数组，用于存储管道的文件描述符。filedes[0] 是管道的读端，filedes[1] 是管道的写端。

下面是一个简单的示例，演示如何使用 pipe 函数创建管道并在父子进程之间传递数据：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    
    
    int filedes[2];
    char buffer[30];
    pid_t child_pid;

    // 创建管道
    if (pipe(filedes) == -1) {
    
    
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    child_pid = fork(); // 创建子进程

    if (child_pid == -1) {
    
    
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (child_pid == 0) {
    
     // 子进程
        close(filedes[1]); // 关闭管道写端
        read(filedes[0], buffer, sizeof(buffer));
        printf("子进程读取的数据: %s\n", buffer);
        close(filedes[0]);
    } else {
    
     // 父进程
        close(filedes[0]); // 关闭管道读端
        write(filedes[1], "Hello, child!", 13);
        close(filedes[1]);
    }

    return 0;
}

输出结果

子进程读取的数据: Hello, child!

在此示例中，pipe 函数创建了一个管道，然后通过 fork 创建了一个子进程。父进程向管道写入数据，子进程从管道中读取数据。通过这种方式，父子进程之间实现了数据传递。

2. 匿名管道样例详解

首先我们建立一个mypipe.cpp文件

写入需要用到的头文件并展开std命名空间

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

using namespace std;

主函数中我们先创建管道

int pipefd[2] = {
    
    0};
int n = pipe(pipefd);
assert(n != -1); // debug assert
(void)n;

1. int pipefd[2] = {0};：在栈上创建一个名为 pipefd 的整数数组，其中有两个元素。这两个元素分别代表管道的读端（pipefd[0]）和写端（pipefd[1]）。
2. int n = pipe(pipefd);：使用 pipe 函数创建管道。如果创建成功，pipe 函数会将读端和写端的文件描述符填充到 pipefd 数组中。
3. assert(n != -1);：assert 是一个宏，用于在运行时检查条件是否为真。如果条件为假，它会终止程序执行，并在标准错误输出中打印一条错误消息。在这里，它用于检查 pipe 函数是否成功创建了管道。如果 pipe 函数返回 -1（表示创建失败），则程序将终止。

(void)n 这一行代码是为了在编译器的严格性检查下避免未使用的变量 n 导致的编译警告。在这段代码中，n 是用于接收 pipe 函数的返回值的变量，但在后续代码中并没有实际使用 n，因此编译器可能会生成未使用变量的警告。

将 (void)n 添加到代码中的目的是明确告诉编译器，你有意不使用变量 n，并且这是一个有意的决策。这可以帮助消除编译器关于未使用变量的警告，以保持代码的整洁性。

要注意的是，这样的代码通常是为了编程风格和规范的目的，以确保代码清晰和易于维护。实际上，你也可以在不使用 (void)n 的情况下编译代码，但这可能会导致一些编译器产生警告信息，或者在某些情况下可能导致不必要的干扰。

加入条件编译观察管道的文件描述符的值

#ifdef DEBUG
    cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << endl;
    cout << "pipefd[1]: " << pipefd[1] << endl;
#endif

通常，DEBUG 宏会在调试模式下定义，以便在开发和测试时提供更多的信息，而在生产模式下将其禁用，以减少不必要的输出和性能开销。例如，在编译时可以使用 -D 选项定义 DEBUG 宏，如下所示：

g++ -o my_program my_program.cpp -DDEBUG

这将在编译过程中定义 DEBUG 宏，允许在代码中执行条件编译的调试输出。如果不需要调试输出，可以省略 -DDEBUG 选项，或者在代码中注释掉 #define DEBUG。

如果你使用makefile编译的话可以参考下面的文件代码

pipe:pipe.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -DDEBUG
.PHONY:clean
clean:
	rm -f pipe

创建子进程

pid_t id = fork();
assert(id != -1);
if (id == 0)
{
    
    
    close(pipefd[1]);
    char buffer[1024 * 8];
    while (true)
    {
    
    
        ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (s > 0)
        {
    
    
            buffer[s] = 0;
            cout << "child get a message[" << getpid() << "] Father# " << buffer << endl;
        }
        else if(s == 0)
        {
    
    
            cout << "writer quit(father), me quit!!!" << endl;
            break;
        }
    }
    exit(0);
}

1. pid_t id = fork();：这行代码创建一个子进程，并将子进程的 PID（进程ID）存储在 id 变量中。如果 fork 失败，id 将是 -1，因此接下来的 assert 用于检查 fork 是否成功。父子进程将根据 fork 的返回值分别执行不同的代码。
2. if (id == 0)：这是一个条件语句，用于判断当前代码块是否在子进程中执行。如果 id 等于 0，说明当前代码块在子进程中执行。
3. close(pipefd[1]);：子进程关闭管道的写端，这是因为子进程只负责从管道中读取数据。关闭写端有助于确保管道的正确使用。
4. char buffer[1024 * 8];：定义一个字符数组 buffer 用于存储从管道中读取的数据。
5. while (true)：进入一个无限循环，子进程将一直尝试从管道中读取数据。
6. ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);：子进程使用 read 函数从管道的读端读取数据，并将读取的字节数存储在 s 中。数据将存储在 buffer 中，但要确保不超过 buffer 的大小减 1，以便在末尾添加 null 终止字符。
7. if (s > 0)：如果成功读取了数据，进入这个条件，然后子进程将打印接收到的消息。
8. else if (s == 0)：如果 read 返回值为 0，这表示管道的写端已经被关闭，通常意味着父进程已经完成了数据的写入。子进程在这种情况下打印一条消息，然后退出。
9. exit(0);：子进程退出，结束其执行。

父进程写入

close(pipefd[0]);
string message = "我是父进程，我正在给你发消息";
int count = 0;
char send_buffer[1024 * 8];
while (true)
{
    
    
    snprintf(send_buffer, sizeof(send_buffer), "%s[%d] : %d",message.c_str(), getpid(), count++);
    write(pipefd[1], send_buffer, strlen(send_buffer));
    sleep(1);
    cout << count << endl;
    if (count == 5){
    
    
        cout << "writer quit(father)" << endl;
        break;
    }
}
close(pipefd[1]);
pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);
cout << "id : " << id << " ret: " << ret <<endl;
assert(ret > 0); 
(void)ret;

1. close(pipefd[0]);：父进程关闭管道的读端，因为父进程只负责向管道写入数据，关闭读端可以确保管道的正确使用。
2. string message = "我是父进程，我正在给你发消息";：定义一个字符串 message，其中包含要发送给子进程的消息。
3. int count = 0;：初始化一个计数器 count，用于给消息编号。
4. char send_buffer[1024 * 8];：定义一个字符数组 send_buffer 用于存储要发送的消息。
5. while (true)：进入一个无限循环，父进程将不断发送消息。
6. snprintf(send_buffer, sizeof(send_buffer), "%s[%d] : %d", message.c_str(), getpid(), count++);：使用 snprintf 函数将消息格式化到 send_buffer 中，包括消息文本、父进程的 PID 和消息编号。
7. write(pipefd[1], send_buffer, strlen(send_buffer));：使用 write 函数将消息写入管道的写端。这将把消息发送给子进程。
8. sleep(1);：父进程休眠 1 秒，然后继续发送下一条消息。
9. if (count == 5)：当 count 达到 5 时，父进程输出一条消息表示它将退出，并且终止循环。
10. close(pipefd[1]);：父进程在退出之前关闭管道的写端，以确保子进程知道不会再有更多的数据传入。
11. pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);：父进程使用 waitpid 函数等待子进程的终止。这确保了在子进程退出之前，父进程不会提前退出。
12. assert(ret > 0);：使用 assert 检查 waitpid 函数的返回值 ret 是否大于 0，以确保子进程已经正常退出。如果 waitpid 返回负值，表示等待出现错误，可能需要进一步处理。

编译后执行

child get a message[11049] Father# 我是父进程，我正在给你发消息[11048] : 0
1
child get a message[11049] Father# 我是父进程，我正在给你发消息[11048] : 1
2
child get a message[11049] Father# 我是父进程，我正在给你发消息[11048] : 2
3
child get a message[11049] Father# 我是父进程，我正在给你发消息[11048] : 3
4
child get a message[11049] Father# 我是父进程，我正在给你发消息[11048] : 4
5
writer quit(father)
writer quit(father), me quit!!!
id : 11049 ret: 11049

全部代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

using namespace std;

int main()
{
    
    
    //1.创建管道
    int pipefd[2]={
    
    0};
    int n=pipe(pipefd);
    assert(n!=-1);
    (void)n;

#ifdef DEBUG
    cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << endl;
    cout << "pipefd[1]: " << pipefd[1] << endl;
#endif

    // 2. 创建子进程
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);
    if (id == 0)
    {
    
    
        close(pipefd[1]);
        char buffer[1024 * 8];
        while (true)
        {
    
    
            ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
            if (s > 0)
            {
    
    
                buffer[s] = 0;
                cout << "child get a message[" << getpid() << "] Father# " << buffer << endl;
            }
            else if(s == 0)
            {
    
    
                cout << "writer quit(father), me quit!!!" << endl;
                break;
            }
        }
        exit(0);
    }
    close(pipefd[0]);
    string message = "我是父进程，我正在给你发消息";
    int count = 0;
    char send_buffer[1024 * 8];
    while (true)
    {
    
    
        snprintf(send_buffer, sizeof(send_buffer), "%s[%d] : %d",message.c_str(), getpid(), count++);
        write(pipefd[1], send_buffer, strlen(send_buffer));
        sleep(1);
        cout << count << endl;
        if (count == 5){
    
    
            cout << "writer quit(father)" << endl;
            break;
        }
    }
    close(pipefd[1]);
    pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);
    cout << "id : " << id << " ret: " << ret <<endl;
    assert(ret > 0); 
    (void)ret;
    return 0;
}

3. 原理

用fork来共享管道原理

站在文件描述符角度-深度理解管道

站在内核角度-管道本质

所以，看待管道，就如同看待文件一样！管道的使用和文件一致，迎合了“Linux一切皆文件思想”

4. 单个父进程与多个子进程管道间通信

建立子进程任务相关的头文件

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <unordered_map>
#include <unistd.h>
#include <functional>

typedef std::function<void()> func;

std::vector<func> callbacks;
std::unordered_map<int, std::string> desc;

void register_web()
{
    
    
    std::cout << "sub process[" << getpid() << " ] 注册网站\n" << std::endl;
}

void login_web()
{
    
    
    std::cout << "sub process[" << getpid() << " ] 登录网站\n" << std::endl;
}

void cal_sql()
{
    
    
    std::cout << "sub process[" << getpid() << " ] 调用数据库\n" << std::endl;
}

void save_sql()
{
    
    
    std::cout << "sub process[" << getpid() << " ] 保存数据库\n" << std::endl;
}

void load()
{
    
    
    desc.insert({
    
    callbacks.size(), "register_web: 注册网站"});
    callbacks.push_back(register_web);

    desc.insert({
    
    callbacks.size(), "login_web: 登陆网站"});
    callbacks.push_back(login_web);

    desc.insert({
    
    callbacks.size(), "cal_sql: 调用数据库"});
    callbacks.push_back(cal_sql);

    desc.insert({
    
    callbacks.size(), "save_sql: 保存数据库"});
    callbacks.push_back(save_sql);
}

void showHandler()
{
    
    
    for(const auto &iter : desc )
    {
    
    
        std::cout << iter.first << "\t" << iter.second << std::endl;
    }
}

int handlerSize()
{
    
    
    return callbacks.size();
}

1. typedef std::function<void()> func;：这行代码定义了一个函数类型别名 func，它表示一个没有参数和没有返回值的函数。
2. std::vector<func> callbacks;：这是一个 std::vector，用于存储回调函数。每个元素都是一个函数对象，表示一个回调函数。
3. std::unordered_map<int, std::string> desc;：这是一个无序映射，用于存储回调函数的描述。它将回调函数的索引（在 callbacks 中的位置）映射到相应的描述字符串。
4. void register_web(), void login_web(), void cal_sql(), void save_sql()：这些是实际的回调函数，每个函数执行不同的操作，并在标准输出中打印相应的消息，指示它们的操作。
5. void load()：load 函数用于初始化回调函数和它们的描述，将它们添加到 callbacks 和 desc 中。每个回调函数在添加到 callbacks 时都会分配一个唯一的索引，这个索引也用于关联到描述。
6. void showHandler()：showHandler 函数用于显示所有回调函数的描述和它们的索引。
7. int handlerSize()：handlerSize 函数返回 callbacks 中回调函数的数量。

主文件的建立

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include "task.hpp"

#define PROCESS_NUM 5

using namespace std;

int waitCommand(int waitFd, bool &quit) //如果不发，就阻塞
{
    
    
    uint32_t command = 0;
    ssize_t s = read(waitFd, &command, sizeof(command));
    if (s == 0)
    {
    
    
        quit = true;
        return -1;
    }
    assert(s == sizeof(uint32_t));
    return command;
}

void sendAndWakeup(pid_t who, int fd, uint32_t command)
{
    
    
    write(fd, &command, sizeof(command));
    cout << "main process: call process " << who << " execute " << desc[command] << " through " << fd << endl;
}

int main()
{
    
    
    load();
    vector<pair<pid_t, int>> slots;
    // 先创建多个进程
    for (int i = 0; i < PROCESS_NUM; i++)
    {
    
    
        // 创建管道
        int pipefd[2] = {
    
    0};
        int n = pipe(pipefd);
        assert(n == 0);
        (void)n;

        pid_t id = fork();
        assert(id != -1);
        // 子进程进行读取
        if (id == 0)
        {
    
    
            // 关闭写端
            close(pipefd[1]);
            // child
            while (true)
            {
    
    
                // 等命令
                bool quit = false;
                int command = waitCommand(pipefd[0], quit); //如果不发，就阻塞
                if (quit)
                    break;
                // 执行对应的命令
                if (command >= 0 && command < handlerSize())
                {
    
    
                    callbacks[command]();
                }
                else
                {
    
    
                    cout << "非法command: " << command << endl;
                }
            }
            exit(1);
        }
        // father,进行写入，关闭读端
        close(pipefd[0]);
        slots.push_back(pair<pid_t, int>(id, pipefd[1]));
    }
    // 父进程派发任务
    srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid() ^ 23323123123L); // 让数据源更随机
    while (true)
    {
    
    
        // 选择一个任务, 如果任务是从网络里面来的？
        int command = rand() %  handlerSize();
        // 选择一个进程 ，采用随机数的方式，选择进程来完成任务，随机数方式的负载均衡
        int choice = rand() % slots.size();
        // 把任务给指定的进程
        sendAndWakeup(slots[choice].first, slots[choice].second, command);
        sleep(1);
    }

    // 关闭fd, 所有的子进程都会退出
    for (const auto &slot : slots)
    {
    
    
        close(slot.second);
    }

    // 回收所有的子进程信息
    for (const auto &slot : slots)
    {
    
    
        waitpid(slot.first, nullptr, 0);
    }
}

1. 定义了常量 PROCESS_NUM，它表示要创建的子进程的数量。
2. waitCommand 函数：
   • 这个函数用于从管道中读取命令，并将命令存储在 command 变量中。
   • 如果成功读取命令，函数返回命令的值。如果读取到的是 EOF（管道的写端已关闭），则函数将设置 quit 为 true，表示退出。
   • 这个函数主要用于在子进程中等待从父进程发送的命令，如果没有命令可读，它将阻塞等待。
3. sendAndWakeup 函数：
   • 这个函数用于将命令发送到指定子进程的管道中，并唤醒子进程来执行命令。
   • 函数接受子进程的 PID（who）、管道的文件描述符（fd）以及要执行的命令（command）作为参数。
   • 函数通过 write 向管道写入命令，然后在标准输出上打印消息，表示主进程正在调用子进程执行命令。
4. main 函数：
   • load() 函数被调用，其中包括回调函数的注册和初始化。
   • 创建了一个 vector 类型的容器 slots，用于存储子进程的 PID 和管道的写端文件描述符。
   • 使用一个 for 循环，创建了 PROCESS_NUM 个子进程。每个子进程都有一个管道，一个用于读取命令，另一个用于写入命令。
   • 在子进程中，使用 waitCommand 函数等待从父进程发送的命令，并执行相应的回调函数。如果命令是退出命令，子进程退出。
   • 在父进程中，通过随机数选择一个任务，然后通过 sendAndWakeup 函数将任务发送给一个随机选择的子进程，以实现任务派发和负载均衡。
   • 最后，父进程关闭所有管道，等待所有子进程退出，确保资源被释放。

执行结果

main process: call process 11485 execute cal_sql: 调用数据库 through 6
sub process[11485 ] 调用数据库

main process: call process 11487 execute register_web: 注册网站 through 8
sub process[11487 ] 注册网站

main process: call process 11483 execute register_web: 注册网站 through 4
sub process[11483 ] 注册网站

main process: call process 11484 execute save_sql: 保存数据库 through 5
sub process[11484 ] 保存数据库

main process: call process 11483 execute cal_sql: 调用数据库 through 4
sub process[11483 ] 调用数据库

main process: call process 11485 execute login_web: 登陆网站 through 6
sub process[11485 ] 登录网站

main process: call process 11487 execute login_web: 登陆网站 through 8
sub process[11487 ] 登录网站

main process: call process 11487 execute register_web: 注册网站 through 8
sub process[11487 ] 注册网站

......

5. 管道读写规则

1. 当没有数据可读时：
   • 如果 O_NONBLOCK 未启用(O_NONBLOCK disable)，read 调用将阻塞，即进程会一直等待，直到管道中有数据可读取为止。
   • 如果 O_NONBLOCK 启用(O_NONBLOCK enable)，read 调用将立即返回-1，同时 errno 的值将被设置为 EAGAIN，表示没有数据可读。
2. 当管道已满时：
   • 如果 O_NONBLOCK 未启用(O_NONBLOCK disable)，write 调用将阻塞，直到有进程从管道中读取数据，腾出足够的空间。
   • 如果 O_NONBLOCK 启用(O_NONBLOCK enable)，write 调用将立即返回-1，同时 errno 的值将被设置为 EAGAIN，表示管道已满。
3. 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，read 返回0：
   • 当所有与管道相关的写端文件描述符被关闭后，read 调用将返回0，表示已达到文件结束（EOF）状态。这表明不会再有数据写入管道。
4. 如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，write 操作可能会产生信号 SIGPIPE：
   • 当所有与管道相关的读端文件描述符被关闭后，write 操作可能会产生 SIGPIPE 信号。这是因为写入数据没有接收方，因此内核会向写进程发送 SIGPIPE 信号，通常会导致写进程终止。这可以用来处理管道通信中的异常情况。
5. 原子性写入：
   • 当要写入的数据量不大于 PIPE_BUF 时，Linux 将保证写入是原子性的。这意味着写入操作要么完全成功，要么完全失败，不会出现部分写入的情况。 PIPE_BUF 的值可以通过 pathconf 或 _PC_PIPE_BUF 获取，通常情况下为4096字节。
   • 如果要写入的数据量大于 PIPE_BUF，Linux将不再保证写入的原子性，可能会出现部分写入的情况，这需要编程时进行适当的处理。

6. 管道特点

1. 管道通信限制：
   • 管道通常用于具有共同祖先的进程之间，这意味着它们是亲缘关系的进程。通常，一个管道由一个进程创建，然后通过 fork 调用创建的父进程和子进程之间可以使用该管道进行通信。
2. 管道提供流式服务：
   • 管道提供的是流式服务，这意味着数据以流的方式传输。数据进入管道的一端，然后从另一端流出。这种特性使得它适用于需要连续流式数据传输的场景，比如进程之间的数据管道。
3. 管道的生命周期：
   • 一般情况下，管道的生命周期与创建它的进程相关。当创建管道的进程退出时，管道也会被释放。这意味着管道通常不会长时间存在，而是在父进程和子进程之间传递数据后被销毁。
4. 内核的同步与互斥：
   • 管道的操作通常由内核进行同步和互斥控制。这确保了多个进程能够正确地读取和写入管道，而不会发生数据混乱或竞争条件。
5. 管道的半双工性质：
   • 管道是半双工的，这意味着数据只能在一个方向上流动。一端用于写入数据，另一端用于读取数据。如果需要双向通信，通常需要建立两个管道，一个用于每个方向的数据传输。