進(jìn)程間通信之：管道

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8.2??管道

8.2.1??管道概述

本書在第2章中介紹“ps”的命令時提到過管道，當(dāng)時指出了管道是Linux中一種很重要的通信方式，它是把一個程序的輸出直接連接到另一個程序的輸入，這里仍以第2章中的“ps?–ef?|?grep?ntp”為例，描述管道的通信過程，如圖8.2所示。

圖8.2?管道的通信過程

管道是Linux中進(jìn)程間通信的一種方式。這里所說的管道主要指無名管道，它具有如下特點(diǎn)。

n 它只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間的通信（也就是父子進(jìn)程或者兄弟進(jìn)程之間）。

n 它是一個半雙工的通信模式，具有固定的讀端和寫端。

n 管道也可以看成是一種特殊的文件，對于它的讀寫也可以使用普通的read()和write()等函數(shù)。但是它不是普通的文件，并不屬于其他任何文件系統(tǒng)，并且只存在于內(nèi)核的內(nèi)存空間中。

8.2.2??管道系統(tǒng)調(diào)用

1．管道創(chuàng)建與關(guān)閉說明

管道是基于文件描述符的通信方式，當(dāng)一個管道建立時，它會創(chuàng)建兩個文件描述符fds[0]和fds[1]，其中fds[0]固定用于讀管道，而fd[1]固定用于寫管道，如圖8.3所示，這樣就構(gòu)成了一個半雙工的通道。

圖8.3??Linux中管道與文件描述符的關(guān)系

管道關(guān)閉時只需將這兩個文件描述符關(guān)閉即可，可使用普通的close()函數(shù)逐個關(guān)閉各個文件描述符。

注意	當(dāng)一個管道共享多對文件描述符時，若將其中的一對讀寫文件描述符都刪除，則該管道就失效。

2．管道創(chuàng)建函數(shù)

創(chuàng)建管道可以通過調(diào)用pipe()來實(shí)現(xiàn)，表8.1列出了pipe()函數(shù)的語法要點(diǎn)。

表8.1 pipe()函數(shù)語法要點(diǎn)

所需頭文件	#include?<unistd.h>
函數(shù)原型	int?pipe(int?fd[2])
函數(shù)傳入值	fd[2]：管道的兩個文件描述符，之后就可以直接操作這兩個文件描述符
函數(shù)返回值	成功：0
	出錯：-1

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3．管道讀寫說明

用pipe()函數(shù)創(chuàng)建的管道兩端處于一個進(jìn)程中，由于管道是主要用于在不同進(jìn)程間通信的，因此這在實(shí)際應(yīng)用中沒有太大意義。實(shí)際上，通常先是創(chuàng)建一個管道，再通過fork()函數(shù)創(chuàng)建一子進(jìn)程，該子進(jìn)程會繼承父進(jìn)程所創(chuàng)建的管道，這時，父子進(jìn)程管道的文件描述符對應(yīng)關(guān)系如圖8.4所示。

此時的關(guān)系看似非常復(fù)雜，實(shí)際上卻已經(jīng)給不同進(jìn)程之間的讀寫創(chuàng)造了很好的條件。父子進(jìn)程分別擁有自己的讀寫通道，為了實(shí)現(xiàn)父子進(jìn)程之間的讀寫，只需把無關(guān)的讀端或?qū)懚说奈募枋龇P(guān)閉即可。例如在圖8.5中將父進(jìn)程的寫端fd[1]和子進(jìn)程的讀端fd[0]關(guān)閉。此時，父子進(jìn)程之間就建立起了一條“子進(jìn)程寫入父進(jìn)程讀取”的通道。

??????????

圖8.4??父子進(jìn)程管道的文件描述符對應(yīng)關(guān)系?????????圖8.5??關(guān)閉父進(jìn)程fd[1]和子進(jìn)程fd[0]

同樣，也可以關(guān)閉父進(jìn)程的fd[0]和子進(jìn)程的fd[1]，這樣就可以建立一條“父進(jìn)程寫入子進(jìn)程讀取”的通道。另外，父進(jìn)程還可以創(chuàng)建多個子進(jìn)程，各個子進(jìn)程都繼承了相應(yīng)的fd[0]和fd[1]，這時，只需要關(guān)閉相應(yīng)端口就可以建立其各子進(jìn)程之間的通道。

想一想	為什么無名管道只能在具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間建立？

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4．管道使用實(shí)例

在本例中，首先創(chuàng)建管道，之后父進(jìn)程使用fork()函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程，之后通過關(guān)閉父進(jìn)程的讀描述符和子進(jìn)程的寫描述符，建立起它們之間的管道通信。

/*?pipe.c?*/

#include?<unistd.h>

#include?<sys/types.h>

#include?<errno.h>

#include?<stdio.h>

#include?<stdlib.h>

#define?MAX_DATA_LEN???256

#define?DELAY_TIME?1

int?main()

{

????pid_t?pid;

????int?pipe_fd[2];

????char?buf[MAX_DATA_LEN];

????const?char?data[]?=?"Pipe?Test?Program";

????int?real_read,?real_write;

????

????memset((void*)buf,?0,?sizeof(buf));

????/*?創(chuàng)建管道?*/

????if?(pipe(pipe_fd)?<?0)

????{

????????printf("pipe?create?errorn");

????????exit(1);

????}

????

????/*?創(chuàng)建一子進(jìn)程?*/

????if?((pid?=?fork())?==?0)

????{

????????/*?子進(jìn)程關(guān)閉寫描述符，并通過使子進(jìn)程暫停1s等待父進(jìn)程已關(guān)閉相應(yīng)的讀描述符?*/

????????close(pipe_fd[1]);

????????sleep(DELAY_TIME?*?3);

????????

????????/*?子進(jìn)程讀取管道內(nèi)容?*/

????????if?((real_read?=?read(pipe_fd[0],?buf,?MAX_DATA_LEN))?>?0)

????????{

????????????printf("%d?bytes?read?from?the?pipe?is?'%s'n",?real_read,?buf);

????????}

????????

????????/*?關(guān)閉子進(jìn)程讀描述符?*/

????????close(pipe_fd[0]);

????????exit(0);

????}

????else?if?(pid?>?0)

????{

????????/*?父進(jìn)程關(guān)閉讀描述符，并通過使父進(jìn)程暫停1s等待子進(jìn)程已關(guān)閉相應(yīng)的寫描述符?*/

????????close(pipe_fd[0]);

????????sleep(DELAY_TIME);

????????if((real_write?=?write(pipe_fd[1],?data,?strlen(data)))?!=??-1)

????????{

????????????printf("Parent?wrote?%d?bytes?:?'%s'n",?real_write,?data);

????????}

????

????????/*關(guān)閉父進(jìn)程寫描述符*/

????????close(pipe_fd[1]);

????

????????/*收集子進(jìn)程退出信息*/

????????waitpid(pid,?NULL,?0);

????????exit(0);

????}

}

將該程序交叉編譯，下載到開發(fā)板上的運(yùn)行結(jié)果如下所示：

$?./pipe

Parent?wrote?17?bytes?:?'Pipe?Test?Program'

17?bytes?read?from?the?pipe?is?'Pipe?Test?Program'

5．管道讀寫注意點(diǎn)

n 只有在管道的讀端存在時，向管道寫入數(shù)據(jù)才有意義。否則，向管道寫入數(shù)據(jù)的進(jìn)程將收到內(nèi)核傳來的SIGPIPE信號（通常為Broken?pipe錯誤）。

n 向管道寫入數(shù)據(jù)時，Linux將不保證寫入的原子性，管道緩沖區(qū)一有空閑區(qū)域，寫進(jìn)程就會試圖向管道寫入數(shù)據(jù)。如果讀進(jìn)程不讀取管道緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，那么寫操作將會一直阻塞。

n 父子進(jìn)程在運(yùn)行時，它們的先后次序并不能保證，因此，在這里為了保證父子進(jìn)程已經(jīng)關(guān)閉了相應(yīng)的文件描述符，可在兩個進(jìn)程中調(diào)用sleep()函數(shù)，當(dāng)然這種調(diào)用不是很好的解決方法，在后面學(xué)到進(jìn)程之間的同步與互斥機(jī)制之后，請讀者自行修改本小節(jié)的實(shí)例程序。

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8.2.4??標(biāo)準(zhǔn)流管道

1．標(biāo)準(zhǔn)流管道函數(shù)說明

與Linux的文件操作中有基于文件流的標(biāo)準(zhǔn)I/O操作一樣，管道的操作也支持基于文件流的模式。這種基于文件流的管道主要是用來創(chuàng)建一個連接到另一個進(jìn)程的管道，這里的“另一個進(jìn)程”也就是一個可以進(jìn)行一定操作的可執(zhí)行文件，例如，用戶執(zhí)行“l(fā)s?-l”或者自己編寫的程序“./pipe”等。由于這一類操作很常用，因此標(biāo)準(zhǔn)流管道就將一系列的創(chuàng)建過程合并到一個函數(shù)popen()中完成。它所完成的工作有以下幾步。

n 創(chuàng)建一個管道。

n fork()一個子進(jìn)程。

n 在父子進(jìn)程中關(guān)閉不需要的文件描述符。

n 執(zhí)行exec函數(shù)族調(diào)用。

n 執(zhí)行函數(shù)中所指定的命令。

這個函數(shù)的使用可以大大減少代碼的編寫量，但同時也有一些不利之處，例如，它不如前面管道創(chuàng)建的函數(shù)那樣靈活多樣，并且用popen()創(chuàng)建的管道必須使用標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)進(jìn)行操作，但不能使用前面的read()、write()一類不帶緩沖的I/O函數(shù)。

與之相對應(yīng)，關(guān)閉用popen()創(chuàng)建的流管道必須使用函數(shù)pclose()來關(guān)閉該管道流。該函數(shù)關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)I/O流，并等待命令執(zhí)行結(jié)束。

2．函數(shù)格式

popen()和pclose()函數(shù)格式如表8.2和表8.3所示。

表8.2 popen()函數(shù)語法要點(diǎn)

所需頭文件	#include?<stdio.h>
函數(shù)原型	FILE?*popen(const?char?*command,?const?char?*type)
函數(shù)傳入值	command：指向的是一個以null結(jié)束符結(jié)尾的字符串，這個字符串包含一個shell命令，并被送到/bin/sh以-c參數(shù)執(zhí)行，即由shell來執(zhí)行
	type：	“r”：文件指針連接到command的標(biāo)準(zhǔn)輸出，即該命令的結(jié)果產(chǎn)生輸出 “w”：文件指針連接到command的標(biāo)準(zhǔn)輸入，即該命令的結(jié)果產(chǎn)生輸入
函數(shù)返回值	成功：文件流指針
	出錯：-1

表8.3 pclose()函數(shù)語法要點(diǎn)

所需頭文件	#include?<stdio.h>
函數(shù)原型	int?pclose(FILE?*stream)
函數(shù)傳入值	stream：要關(guān)閉的文件流
函數(shù)返回值	成功：返回由popen()所執(zhí)行的進(jìn)程的退出碼
	出錯：-1

?

3．函數(shù)使用實(shí)例

在該實(shí)例中，使用popen()來執(zhí)行“ps?-ef”命令?？梢钥闯觯琾open()函數(shù)的使用能夠使程序變得短小精悍。

/*?standard_pipe.c?*/

#include?<stdio.h>

#include?<unistd.h>

#include?<stdlib.h>

#include?<fcntl.h>

#define?BUFSIZE?1024

int?main()

{

????FILE?*fp;

????char?*cmd?=?"ps?-ef";

????char?buf[BUFSIZE];

????

????/*調(diào)用popen()函數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的命令*/

????if?((fp?=?popen(cmd,?"r"))?==?NULL)

????????{

????????printf("Popen?errorn");

????????exit(1);

????}

????

????while?((fgets(buf,?BUFSIZE,?fp))?!=?NULL)

????{

????????printf("%s",buf);

????}

????pclose(fp);

????exit(0);

}

下面是該程序在目標(biāo)板上的執(zhí)行結(jié)果。

$?./standard_pipe

??PID?TTY??????????Uid????????Size?State?Command

????1??????????????root???????1832???S???init

????2??????????????root??????????0???S???[keventd]

????3??????????????root??????????0???S???[ksoftirqd_CPU0]

????……

???74??????????????root???????1284???S???./standard_pipe

???75??????????????root???????1836???S???sh?-c?ps?-ef

???76??????????????root???????2020???R???ps?–ef

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8.2.5??FIFO

1．有名管道說明

前面介紹的管道是無名管道，它只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間，這就大大地限制了管道的使用。有名管道的出現(xiàn)突破了這種限制，它可以使互不相關(guān)的兩個進(jìn)程實(shí)現(xiàn)彼此通信。該管道可以通過路徑名來指出，并且在文件系統(tǒng)中是可見的。在建立了管道之后，兩個進(jìn)程就可以把它當(dāng)作普通文件一樣進(jìn)行讀寫操作，使用非常方便。不過值得注意的是，F(xiàn)IFO是嚴(yán)格地遵循先進(jìn)先出規(guī)則的，對管道及FIFO的讀總是從開始處返回數(shù)據(jù)，對它們的寫則把數(shù)據(jù)添加到末尾，它們不支持如lseek()等文件定位操作。

有名管道的創(chuàng)建可以使用函數(shù)mkfifo()，該函數(shù)類似文件中的open()操作，可以指定管道的路徑和打開的模式。

小知識	用戶還可以在命令行使用“mknod?管道名?p”來創(chuàng)建有名管道。

在創(chuàng)建管道成功之后，就可以使用open()、read()和write()這些函數(shù)了。與普通文件的開發(fā)設(shè)置一樣，對于為讀而打開的管道可在open()中設(shè)置O_RDONLY，對于為寫而打開的管道可在open()中設(shè)置O_WRONLY，在這里與普通文件不同的是阻塞問題。由于普通文件的讀寫時不會出現(xiàn)阻塞問題，而在管道的讀寫中卻有阻塞的可能，這里的非阻塞標(biāo)志可以在open()函數(shù)中設(shè)定為O_NONBLOCK。下面分別對阻塞打開和非阻塞打開的讀寫進(jìn)行討論。

（1）對于讀進(jìn)程。

n 若該管道是阻塞打開，且當(dāng)前FIFO內(nèi)沒有數(shù)據(jù)，則對讀進(jìn)程而言將一直阻塞到有數(shù)據(jù)寫入。

n 若該管道是非阻塞打開，則不論FIFO內(nèi)是否有數(shù)據(jù)，讀進(jìn)程都會立即執(zhí)行讀操作。即如果FIFO內(nèi)沒有數(shù)據(jù)，則讀函數(shù)將立刻返回0。

（2）對于寫進(jìn)程。

n 若該管道是阻塞打開，則寫操作將一直阻塞到數(shù)據(jù)可以被寫入。

n 若該管道是非阻塞打開而不能寫入全部數(shù)據(jù)，則讀操作進(jìn)行部分寫入或者調(diào)用失敗。

2．mkfifo()函數(shù)格式

表8.4列出了mkfifo()函數(shù)的語法要點(diǎn)。

表8.4 mkfifo()函數(shù)語法要點(diǎn)

所需頭文件	#include?<sys/types.h> #include?<sys/state.h>
函數(shù)原型	int?mkfifo(const?char?*filename,mode_t?mode)
函數(shù)傳入值	filename：要創(chuàng)建的管道
函數(shù)傳入值	mode：	O_RDONLY：讀管道
		O_WRONLY：寫管道
		O_RDWR：讀寫管道
		O_NONBLOCK：非阻塞
函數(shù)傳入值	mode：	O_CREAT：如果該文件不存在，那么就創(chuàng)建一個新的文件，并用第三個參數(shù)為其設(shè)置權(quán)限
		O_EXCL：如果使用O_CREAT時文件存在，那么可返回錯誤消息。這一參數(shù)可測試文件是否存在
函數(shù)返回值	成功：0?
	出錯：-1

表8.5再對FIFO相關(guān)的出錯信息做一歸納，以方便用戶查錯。

表8.5 FIFO相關(guān)的出錯信息

EACCESS	參數(shù)filename所指定的目錄路徑無可執(zhí)行的權(quán)限
EEXIST	參數(shù)filename所指定的文件已存在
ENAMETOOLONG	參數(shù)filename的路徑名稱太長
ENOENT	參數(shù)filename包含的目錄不存在
ENOSPC	文件系統(tǒng)的剩余空間不足
ENOTDIR	參數(shù)filename路徑中的目錄存在但卻非真正的目錄
EROFS	參數(shù)filename指定的文件存在于只讀文件系統(tǒng)內(nèi)

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3．使用實(shí)例

下面的實(shí)例包含了兩個程序，一個用于讀管道，另一個用于寫管道。其中在讀管道的程序里創(chuàng)建管道，并且作為main()函數(shù)里的參數(shù)由用戶輸入要寫入的內(nèi)容。讀管道的程序會讀出用戶寫入到管道的內(nèi)容，這兩個程序采用的是阻塞式讀寫管道模式。

以下是寫管道的程序：

/*?fifo_write.c?*/

#include?<sys/types.h>

#include?<sys/stat.h>

#include?<errno.h>

#include?<fcntl.h>

#include?<stdio.h>

#include?<stdlib.h>

#include?<limits.h>

#define?MYFIFO??????????????"/tmp/myfifo"???????/*?有名管道文件名*/

#define?MAX_BUFFER_SIZE????????PIPE_BUF????????/*定義在于limits.h中*/

int?main(int?argc,?char?*?argv[])?/*參數(shù)為即將寫入的字符串*/

{

????int?fd;

????char?buff[MAX_BUFFER_SIZE];

????int?nwrite;

????

????if(argc?<=?1)

????{

????????printf("Usage:?./fifo_write?stringn");

????????exit(1);

????}

????sscanf(argv[1],?"%s",?buff);

????

????/*?以只寫阻塞方式打開FIFO管道?*/

????fd?=?open(MYFIFO,?O_WRONLY);

????if?(fd?==?-1)

????{

????????printf("Open?fifo?file?errorn");

????????exit(1);

????}

????

????/*向管道中寫入字符串*/

????if?((nwrite?=?write(fd,?buff,?MAX_BUFFER_SIZE))?>?0)

????{

????????printf("Write?'%s'?to?FIFOn",?buff);

????}

????close(fd);

????exit(0);

}

以下是讀管道程序：

/*fifo_read.c*/

（頭文件和宏定義同fifo_write.c）

int?main()

{

????char?buff[MAX_BUFFER_SIZE];

????int??fd;

????int??nread;

????/*?判斷有名管道是否已存在，若尚未創(chuàng)建，則以相應(yīng)的權(quán)限創(chuàng)建*/

????if?(access(MYFIFO,?F_OK)?==?-1)?

????{

????????if?((mkfifo(MYFIFO,?0666)?<?0)?&&?(errno?!=?EEXIST))

????????{

????????????printf("Cannot?create?fifo?filen");

????????????exit(1);

????????}

????}

????/*?以只讀阻塞方式打開有名管道?*/

????fd?=?open(MYFIFO,?O_RDONLY);

????if?(fd?==?-1)

????{

????????printf("Open?fifo?file?errorn");

????????exit(1);

????}

????

????while?(1)

????{

????????memset(buff,?0,?sizeof(buff));

????????if?((nread?=?read(fd,?buff,?MAX_BUFFER_SIZE))?>?0)

????????{

????????????printf("Read?'%s'?from?FIFOn",?buff);

????????}????????

????}????

????close(fd);????

????exit(0);

}????

為了能夠較好地觀察運(yùn)行結(jié)果，需要把這兩個程序分別在兩個終端里運(yùn)行，在這里首先啟動讀管道程序。讀管道進(jìn)程在建立管道之后就開始循環(huán)地從管道里讀出內(nèi)容，如果沒有數(shù)據(jù)可讀，則一直阻塞到寫管道進(jìn)程向管道寫入數(shù)據(jù)。在啟動了寫管道程序后，讀進(jìn)程能夠從管道里讀出用戶的輸入內(nèi)容，程序運(yùn)行結(jié)果如下所示。

終端一:

$?./fifo_read

Read?'FIFO'?from?FIFO

Read?'Test'?from?FIFO

Read?'Program'?from?FIFO

……

終端二：

$?./fifo_write?FIFO

Write?'FIFO'?to?FIFO

$?./fifo_write?Test

Write?'Test'?to?FIFO

$?./fifo_write?Program

Write?'Program'?to?FIFO

……