Linux C编程--进程间通信（IPC）4--管道详解

linux管道

管道相关内容的简介

管道是单向的字节流，它将某个进程的标准输出连接到另一个进程的标准输入。管道和有名管道是最早的进程间通信机制之一，管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信。管道和有名管道的读写规则是在程序中应用它们的关键。

管道相关的概念

在linux中管道是通过指向同一个临时的VFS inode的两个file数据结构来实现的，此VFS inode指向内存中的同一个物理页面。这就隐藏了读写管道和读写普通文件的差别。管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道；只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）；
管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

管道的创建：
#include
int pipe(int fd[2])
该函数创建的管道的两端处于一个进程中间，在实际应用中没有太大意义，因此，一个进程在由pipe()创建管道后，一般再fork一个子进程，然后通过管道实现父子进程间的通信（因此也不难推出，只要两个进程中存在亲缘关系，这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式来进行通信）。

管道的读规则：

管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字fd[1]来表示，称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道，如close、read、write等等。
从管道中读取数据：如果管道的写端不存在，则认为已经读到了数据的末尾，读函数返回的读出字节数为0；当管道的写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF，则返回管道中现有的数据字节数，如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF，则返回管道中现有数据字节数（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）。管道写端关闭后，写入的数据将一直存在，直到读出为止。

管道的写规则：

向管道中写入数据：向管道中写入数据时，Linux将不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。

注：只有在管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIFPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略（默认动作则是应用程序终止）。对管道的写规则的验证1：写端对读端存在的依赖性
在向管道写入数据时，至少应该存在某一个进程，其中管道读端没有被关闭，否则就会出现错误（管道断裂,进程收到了SIGPIPE信号，默认动作是进程终止）对管道的写规则的验证2：Linux不保证写管道的原子性验证
写入管道的数据量大于4096字节时，缓冲区的空闲空间将被写入数据（补齐），直到写完所有数据为止，如果没有进程读数据，则一直阻塞。

管道的局限性
只支持单向数据流；
只能用于具有亲缘关系的进程之间；
没有名字；
管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；
管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等。

管道的创建

管道由函数pipe创建，只能提供单向的数据传递的数据传送。

格式：

#include <unistd.h>

int pipe(int fd[2]);

fd为两个文件描述符：fd[0]用来读，fd[1]用来写。

1.父子进程的单向通信方式如下图：

一个进程创建一个管道——>派生一个自身的拷贝——>父进程关闭管道的读出端，子进程的写入端关闭（上图中的虚线）——>父子进程就建立了单向通信了。

2.父子进程的双向通信方式如下图：

创建管道1（fd1[0],fd1[1]）和管道2（fd2[0],fd2[1]）——>派生出一个子进程——>

父进程关闭管道1的读出端（fd1[0]）和管道2的写入端（fd2[1]）;

子进程关闭管道1的写入端（fd1[1]）和管道2的读入端（fd2[0]）。

下面给出两个实例说明创建管道的过程：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>int main()
{int n, fd[2];pid_t pid;char buffer[BUFSIZ+1];if(pipe(fd)<0){printf("pipe failed!\n ");exit(1);}if((pid=fork())<0){printf("fork failed!\n ");exit(1);}else if (pid>0){close(fd[0]);write(fd[1],"How are you?\n",12);}else{close(fd[1]);n=read(fd[0],buffer,BUFSIZ);write(STDOUT_FILENO,buffer,n);}exit(0);
}

2.假设有一个用户可执行程序upcase，可以从标准输入设备读入字母，将其从小写转化为大写输出。这个程序用管道实现将某一文本文件中的字母转换为大写输出的程序，其中，文本文件名作为参数传进来。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main(int argc, char *argv[])
{int n,fd[2];pid_t pid;char buffer[BUFSIZ+1];FILE *fp;if(argc<=1){printf("usage: %s <pathname>\n",argv[0]);exit(1);}/*打开文本文件*/if((fp=fopen(argv[1],"r"))==NULL){printf("Can't open %s \n", argv[1]);exit(1);}/*创建管道*/if(pipe(fd)<0){printf("pipe failed!\n ");exit(1);}/*创建子进程*/if((pid=fork())<0){printf("fork failed!\n ");exit(1);}else if (pid>0)   /*父进程*/{close(fd[0]);while(fgets(buffer,BUFSIZ,fp)!=NULL){n=strlen(buffer);/*向管道中写入数据*/if(write(fd[1],buffer,n)!=n){printf("write error to pipe.\n");exit(1);}}if(ferror(fp)){printf("fgets error. \n");exit(1);}close(fd[1]);if(waitpid(pid, NULL, 0)<0){printf("waitpid error!\n");exit(1);}exit(0);}else  /*子进程*/{close(fd[1]);if(fd[0]!=STDIN_FILENO){/*将管道复制到标准输入*/if(dup2(fd[0],STDIN_FILENO)!=STDIN_FILENO){printf("dup2 error to stdin! \n");exit(1);}close(fd[0]);}/*运行用户程序*/if(execl("upcase","upcase",(char *)0)<0){printf("execl error for upcase.\n");exit(1);}exit(0);}
}

创建管道的简单方法

利用popen和pclose函数可以创建和关闭管道

函数原型：

　　#include “stdio.h”

　　FILE *popen( const char* command, const char* mode )

　　参数说明：

　　command：是一个指向以 NULL 结束的 shell 命令字符串的指针。这行命令将被传到 bin/sh 并使用 -c 标志，shell 将执行这个命令。

　　mode：只能是读或者写中的一种，得到的返回值（标准 I/O 流）也具有和 type 相应的只读或只写类型。如果 type 是 “r” 则文件指针连接到 command 的标准输出；如果 type 是 “w” 则文件指针连接到 command 的标准输入。

　　返回值：

　　如果调用成功，则返回一个读或者打开文件的指针，如果失败，返回NULL，具体错误要根据errno判断

　　int pclose (FILE* stream)

　　参数说明：

　　stream：popen返回的文件指针

　　返回值：

　　如果调用失败，返回 -1

　　作用：

　　popen() 函数用于创建一个管道：其内部实现为调用 fork 产生一个子进程，执行一个 shell 以运行命令来开启一个进程这个进程必须由 pclose() 函数关闭。

下面给出一个实例实现上一个实例所实现的功能

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main(int argc, char *argv[])
{char buffer[BUFSIZ+1];FILE *fpin, *fpout;if(argc<=1){printf("usage: %s <pathname>\n",argv[0]);exit(1);}if((fpin=fopen(argv[1],"r"))==NULL){printf("Can't open %s \n", argv[1]);exit(1);}if((fpout=popen("./upcase","w"))==NULL){printf("popen error \n");exit(1);}while(fgets(buffer,BUFSIZ,fpin)!=NULL){if(fputs(buffer,fpout)==EOF){printf("fputs error to pipe. \n");exit(1);}}if(ferror(fpin)){printf("fgets error. \n");exit(1);}if(pclose(fpout)==-1){printf("pclose error.\n");exit(1);}exit(0);
}

有名管道详解

有名管道相概念 FIFO

从名字就可以看出来它是支持先进先出的原则的。管道应用的一个重大限制是它没有名字，因此，只能用于具有亲缘关系的进程间通信，在有名管道（named pipe或FIFO）提出后，该限制得到了克服。FIFO不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样，即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信（能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间），因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值得注意的是，FIFO严格遵循先进先出（first in first out），对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。

有名管道的创建

#include
#include
int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode)

int mknod

(const char * pathname, mode_t mode,dev_t dev)

该函数的第一个参数是一个普通的路径名，也就是创建后FIFO的名字。第二个参数与打开普通文件的open()函数中的mode 参数相同。如果mkfifo的第一个参数是一个已经存在的路径名时，会返回EEXIST错误，所以一般典型的调用代码首先会检查是否返回该错误，如果确实返回该错误，那么只要调用打开FIFO的函数就可以了。一般文件的I/O函数都可以用于FIFO，如close、read、write等等。

FIFO的打开规则：

有名管道比管道多了一个打开操作：open。如果当前打开操作是为读而打开FIFO时，若已经有相应进程为写而打开该FIFO，则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO（当前打开操作设置了阻塞标志）；或者，成功返回（当前打开操作没有设置阻塞标志）。
如果当前打开操作是为写而打开FIFO时，如果已经有相应进程为读而打开该FIFO，则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO（当前打开操作设置了阻塞标志）；或者，返回ENXIO错误（当前打开操作没有设置阻塞标志）。对打开规则的验证参见附2。

有名管道的读规则
约定：如果一个进程为了从FIFO中读取数据而阻塞打开FIFO，那么称该进程内的读操作为设置了阻塞标志的读操作。
如果有进程写打开FIFO，且当前FIFO内没有数据，则对于设置了阻塞标志的读操作来说，将一直阻塞。对于没有设置阻塞标志读操作来说则返回-1，当前errno值为EAGAIN，提醒以后再试。
对于设置了阻塞标志的读操作说，造成阻塞的原因有两种：当前FIFO内有数据，但有其它进程在读这些数据；另外就是FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入，不论信写入数据量的大小，也不论读操作请求多少数据量。
读打开的阻塞标志只对本进程第一个读操作施加作用，如果本进程内有多个读操作序列，则在第一个读操作被唤醒并完成读操作后，其它将要执行的读操作将不再阻塞，即使在执行读操作时，FIFO中没有数据也一样（此时，读操作返回0）。如果没有进程写打开FIFO，则设置了阻塞标志的读操作会阻塞。
注：如果FIFO中有数据，则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞，此时，读操作会返回FIFO中现有的数据量。

约定：如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO，那么称该进程内的写操作为设置了阻塞标志的写操作。对于设置了阻塞标志的写操作：当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，Linux将保证写入的原子性。如果此时管道空闲缓冲区不足以容纳要写入的字节数，则进入睡眠，直到当缓冲区中能够容纳要写入的字节数时，才开始进行一次性写操作。
当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，Linux将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据，写操作在写完所有请求写的数据后返回。
对于没有设置阻塞标志的写操作：

当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，Linux将保证写入的原子性。如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数，写完后成功返回；如果当前FIFO空闲缓冲区不能够容纳请求写入的字节数，则返回EAGAIN错误，提醒以后再写。

命名管道的应用

（1）shell命令行使用命名管道将数据从一条命令传送到另一条命令，而不需要创建中间的临时文件

（2）在客户--服务器结构中，使用命名管道在客户和服务器之间交换数据

下面给出一个实例

编写一个多客户--单一服务器模式的程序，用命名管道实现客户到服务器之间传递数据的操作

服务器端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/stat.h>#define FIFO_FILE "MYFIFO"int main()
{FILE *fp;char readbuf[80];if((fp=fopen(FIFO_FILE,"r"))==NULL){umask(0);mknod(FIFO_FILE,S_IFIFO|0666,0);}elsefclose(fp);while(1){if((fp=fopen(FIFO_FILE,"r"))==NULL){printf("open fifo failed. \n");exit(1);}if(fgets(readbuf,80,fp)!=NULL){printf("Received string :%s \n", readbuf);fclose(fp);}else{if(ferror(fp)){printf("read fifo failed.\n");exit(1);}}}return 0;
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>#define FIFO_FILE "MYFIFO"int main(int argc, char *argv[])
{FILE *fp;int i;if(argc<=1){printf("usage: %s <pathname>\n",argv[0]);exit(1);}if((fp=fopen(FIFO_FILE,"w"))==NULL){printf("open fifo failed. \n");exit(1);}for(i=1;i<argc;i++){if(fputs(argv[i],fp)==EOF){printf("write fifo error. \n");exit(1);}if(fputs(" ",fp)==EOF){printf("write fifo error. \n");exit(1);}}fclose(fp);return 0;
}

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