进程间通信管道

浏览数：19 / 时间：2015年06月20日

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前面我们学习了一下进程，我们知道多，进程间的地址空间相对独立。进程与进程间不能像线程间通过全局变量通信。如果想进程间通信，就需要其他机制。

常用的进程间通信方式有这几种

A.传统的进程间通信方式

无名管道(pipe)、有名管道(fifo)和信号(signal)

B.System v IPC对象

共享内存(share memory)、消息队列(message queue)和信号灯(semaphore)

C.BSD

套接字(socket)

一、无名管道(pipe)

1.1管道的介绍

A.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

B.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);

C.单独构成一种独立的文件系统：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，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。

D.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。

1.2管道的创建

解释如下 :

从以上我们可以知道:

管道是基于文件描述符的通信方式。当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符fd[0]和fd[1]。其中fd[0]固定用于读管道，而fd[1]固定用于写管道,一般文件I/O的函数都可以用来操作管道(lseek除外)。

我们来测试一下管道的大小:

案例一、

单独创建一个无名管道，并没有实际的意义。我们一般是在一个进程在由pipe()创建管道后，一般再由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）。

1.3无名管道的读写规则探究

A.从管道中读取数据

<1>写端不存在时,此时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；

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int n;
int fd[2];
int count = 0;
char buf[100] = {0};
if(pipe(fd) < 0)
{
perror("Fail to create pipe");
exit(EXIT_FAILURE);
}
close(fd[1]);
if((n = read(fd[0],buf,sizeof(buf))) < 0)
{
perror("Fail to read pipe");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Rread %d bytes : %s.\n",n,buf);
return 0;
}

运行结果:

<2>写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF(ubuntu操作系统为65536)，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，则放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)

案例二、父进程向管道中写数据，子进程从管道中读取数据

点击(此处)折叠或打开

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#define N 10
#define MAX 100
int child_read_pipe(int fd)
{
char buf[N];
int n = 0;
while(1)
{
n = read(fd,buf,sizeof(buf));
buf[n] = ‘\0‘;
printf("Read %d bytes : %s.\n",n,buf);
if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
break;
}
return 0;
}
int father_write_pipe(int fd)
{
char buf[MAX] = {0};
while(1)
{
printf(">");
fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
buf[strlen(buf)-1] = ‘\0‘;
write(fd,buf,strlen(buf));
usleep(500);
if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
break;
}
return 0;
}
int main()
{
int pid;
int fd[2];
if(pipe(fd) < 0)
{
perror("Fail to pipe");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if((pid = fork()) < 0)
{
perror("Fail to fork");
exit(EXIT_FAILURE);
}else if(pid == 0){
close(fd[1]);
child_read_pipe(fd[0]);
}else{
close(fd[0]);
father_write_pipe(fd[1]);
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}

运行结果:

从以上验证我们可以看到：

<1>当写端存在时，管道中没有数据时，读取管道时将阻塞

<2>当读端请求读取的数据大于管道中的数据时，此时读取管道中实际大小的数据

<3>当读端请求读取的数据小于管道中的数据时，此时放回请求读取的大小数据

B.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。当管道满时，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。

注意：只有管道的读端存在时，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SIGPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略(默认动作则是使应用程序终止)。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main()
{
int pid;
int n;
int fd[2];
char buf[1000 * 6] = {0};
if(pipe(fd) < 0)
{
perror("Fail to pipe");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if((pid = fork()) < 0)
{
perror("Fail to fork");
exit(EXIT_FAILURE);
}else if(pid == 0){
close(fd[1]);
sleep(5);
close(fd[0]);
printf("Read port close.\n");
sleep(3);
}else{
close(fd[0]);
while(1)
{
n = write(fd[1],buf,sizeof(buf));
printf("Write %d bytes to pipe.\n",n);
}
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}

运行结果:

探究发现，当管道数据满时，此时再向管道写数据，写端将阻塞。当读端不存在时，写端写数据，内核将向其发送SIGPIPE信号，默认是终止进程。

案例3：父进程读取文件的内容，写到无名管道，子进程从管道中读取内容写到另一个文件。

//思考：父进程什么时候结束，子进程什么时候结束?

点击(此处)折叠或打开

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#define MAX 100
int child_work(int pfd,char *fname)
{
int n,fd;
char buf[MAX];
if((fd = open(fname,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666)) < 0)
{
fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",fname,strerror(errno));
return -1;
}
while( n = read(pfd,buf,sizeof(buf)) )
{
write(fd,buf,n);
}
close(pfd);
return 0;
}
int father_work(int pfd,char *fname)
{
int fd,n;
char buf[MAX];
if((fd = open(fname,O_RDONLY)) < 0)
{
fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",fname,strerror(errno));
return -1;
}
while(n = read(fd,buf,sizeof(buf)))
{
write(pfd,buf,n);
}
close(pfd);
return 0;
}
int main(int argc,char *argv[])
{
int pid;
int fd[2];
if(argc < 3)
{
fprintf(stderr,"usage %s argv[1] argv[2].\n",argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
if(pipe(fd) < 0)
{
perror("Fail to pipe");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if((pid = fork()) < 0)
{
perror("Fail to fork");
exit(EXIT_FAILURE);
}else if(pid == 0){
close(fd[1]);
child_work(fd[0],argv[2]);
}else{
close(fd[0]);
father_work(fd[1],argv[1]);
wait(NULL);
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}

二、有名管道

1.1有名管道的介绍

无名管道，由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信.。为了克服这个缺点，提出了有名管道(FIFO)。

FIFO不同于无名管道之处在于它提供了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，因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值的注意的是，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。

注意：有名管道的名字存在于文件系统中，内容存放在内存中。

1.2有名管道的创建

该函数的第一个参数是一个普通的路劲名，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的一个参数是一个已经存在路劲名时，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。

1.3有名管道的打开规则

有名管道比无名管道多了一个打开操作：open

FIFO的打开规则:

如果当前打开操作时为读而打开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)。

如果当前打开操作时为写而打开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ENIO错误(当期打开操作没有设置阻塞标志)。

案例:

A.open for write

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