linux_管道学习-pipe函数-管道的读写-fpathconf函数

接上一篇：linux_何为IPC-进程间常用的通信方式

今天来分享linux的管道学习，希望我的笔记能对大家有用，开始上菜：

1.管道的概念：

  管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。
  调用pipe系统函数即可创建一个管道。
管道有如下特质：
  1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)
  2. 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。
  3. 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。
什么是有血缘关系的进程： 就是父子进程、兄弟进程等。
管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。
512B是磁盘的最小单位，即半k。
管道的局限性：
  ① 数据自己读不能自己写。
  ② 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
  ③ 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。
  ④ 只能在有公共祖先的进程间使用管道。
管道属于单工通信。

2.pipe函数

函数作用：
  创建一个管道。
头文件：
  #include
函数原型：
  int pipe(int pipefd[2]);
函数参数：
  pipefd：pipefd[0]为读端，pipefd[1]为写端。
向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。
返回值：
  成功：返回0；
  失败：返回-1；会设置errno，通过perror函数来打印错误信息。

  管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。
  1. 父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。
  2. 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。
  3. 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

3.管道的读写行为

  使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）(可直接看下方总结)：
  1. 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。

  2. 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。

  3. 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。

  4. 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

总结：
  ① 读管道：
    1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。
    2. 管道中无数据：
      (1) 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)
      (2) 写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)
  ② 写管道：
    1. 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)
    2. 管道读端没有全部关闭：
      (1) 管道已满，write阻塞。
      (2) 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。
例子：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(void)
{
    pid_t pid;
    char buf[1024];
    int fd[2];
    char *p = "hello pipe!\n";
    //pipe函数，0读，1写
    if (pipe(fd) == -1) 
	{
       perror("pipe");
	}
    pid = fork();//创建子进程
    if (pid < 0) 
	{
       perror("fork err");
    } 
    else if (pid == 0) //子进程 读数据
    {
        close(fd[1]);//关闭写端
		for (size_t i = 0; i < 2; i++)
		{
			printf("------%ld\n",i+1);
			//从fd中读数据，会在这里阻塞等待读取管道中的数据，直至有数据读取后程序才往下走
			int len = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
			//将数据写到屏幕中
			write(STDOUT_FILENO, buf, len);
		}
        printf("---------------\n");
        close(fd[0]);
    } 
    else 
    {
	   //父进程  写数据
       close(fd[0]);//关闭读端
	   sleep(2);//暂停2s后才写数据
       write(fd[1], p, strlen(p));//向fd中写数据
	   sleep(2);//再次暂停2s
	   write(fd[1], p, strlen(p));//向fd中写数据
       wait(NULL);//等待回收子进程
       close(fd[1]);//关闭写端
    }
    return 0;
}

4.管道缓冲区大小

  可以使用ulimit –a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。
通常为：
   pipe size (512 bytes, -p) 8

函数作用：
  查看管道的大小。
头文件：
  #include
函数原型：
  long fpathconf(int fd, int name);
函数参数：
fd：
  若需要求出管道的大小，则该fd指向管道。
name：
  将name设置为等于以下常量之一将返回以下配置：
_PC_LINK_MAX
  指向文件的最大链接数。如果fd或path引用一个目录，那么该值将应用于整个目录。相应的宏是_POSIX_LINK_MAX。
_PC_MAX_CANON
  格式化输入行的最大长度，其中fd或path必须指向一个终端。相应的宏是_POSIX_MAX_CANON。
_PC_MAX_INPUT
  输入行的最大长度，其中fd或path必须指向一个端子。相应的宏是_POSIX_MAX_INPUT。
_PC_NAME_MAX
  允许进程创建的目录路径或fd中文件名的最大长度。相应的宏是_POSIX_NAME_MAX。
_PC_PATH_MAX
  当path或fd是当前工作目录时，相对路径名的最大长度。相应的宏是_POSIX_PATH_MAX。
_PC_PIPE_BUF
  可以原子方式写入FIFO管道的最大字节数。对于fpathconf（），fd应该指管道或FIFO。对于fpathconf（），路径应该指向FIFO或目录；在后一种情况下，返回的值对应于在该目录中创建的FIFO。相应的宏是_POSIX_PPIPE_BUF。
_PC_CHOWN_RESTRICTED
  如果使用chown（2）和fchown（2）更改文件的用户ID仅限于具有适当权限的进程，并且将文件的组ID更改为进程的有效组ID或其补充组ID之一以外的值仅限于具有相应权限的进程时，则返回正值。根据POSIX.1，该变量应始终使用-1以外的值进行定义。相应的宏是_POSIX_CHOWN_RESTRECTED。如果fd或path引用了一个目录，那么返回值将应用于该目录中的所有文件。
_PC_NO_TRUNC
  如果访问长度超过_POSIX_NAME_MAX的文件名会产生错误，则返回非零。相应的宏是_POSIX_NO_TRUNC。
_PC_VDISABLE
  如果可以禁用特殊字符处理，则返回非零，其中fd或path必须指代终端。指向文件的最大链接数。如果fd或path引用一个目录，那么该值将应用于整个目录。相应的宏是_POSIX_LINK_MAX。

返回值：
  成功：根据不同的name返回不同的值。
  失败：-1，设置errno
例如：
  long lsize = fpathconf(fd[0], _PC_PIPE_BUF);//获得管道的大小

5.管道的优劣

  优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。
  缺点：
    1. 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。
    2. 只能用于父子、兄弟进程(有共同祖先)间通信。该问题后来使用fifo有名管道解决。

以上就是本次的分享了，希望能对广大网友有所帮助，也希望大家踊跃讨论，相互学习。

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