管道-匿名管道

一、管道介绍 

        管道（Pipe）是一种在UNIX和类UNIX系统中用于进程间通信的机制。它允许一个进程的输出直接成为另一个进程的输入，从而实现数据的流动。管道是一种轻量级的通信方式，用于协调不同进程的工作。

      1. 创建和使用管道：

• 创建： 管道可以通过在Shell命令中使用竖线符号 | 来创建，也可以在程序中使用系统调用 pipe 来创建。
• 使用： 管道通过将一个进程的标准输出（stdout）连接到另一个进程的标准输入（stdin），从而实现两者之间的数据传输。
• 2. 匿名管道：
• 类型： 管道分为匿名管道（Anonymous Pipe）和命名管道（Named Pipe）。
• 匿名管道： 由操作系统动态创建，用于具有亲缘关系的进程之间的通信，其句柄仅在创建时有效。
• 3. 命名管道（FIFO）：
• 类型： 命名管道是一种特殊的文件，也称为FIFO（First In, First Out）。
• 命名： 在文件系统中具有唯一名称，不限于亲缘关系的进程，可以在不同进程之间共享数据。
• 4. 进程间通信（IPC）：
• 目的： 管道用于实现进程间通信，允许一个进程的输出成为另一个进程的输入。
• 特点： 管道是半双工的，数据流只能单向传输，需要两个管道来实现双向通信。
• 5. Shell中的管道：
• 语法： 在Shell中，使用 | 将一个命令的输出传递给另一个命令，形成管道。
• 示例： ls | grep "pattern"，这会将 ls 的输出传递给 grep 进行过滤。
• 6. 程序中的管道：
• 系统调用： 在C语言等编程语言中，可以使用 pipe 系统调用创建管道，使用 dup2 复制文件描述符，最后使用 exec 执行其他程序。
• 7.关闭和错误处理：
• 关闭： 使用管道时，需要确保在合适的时候关闭不需要的文件描述符，以避免资源泄漏。
• 错误处理： 对于管道的创建和使用，需要进行错误处理，以处理可能发生的异常情况。
• 8.限制和注意事项：
• 有限性： 管道的缓冲区有限，可能导致阻塞，特别是在没有足够空间来容纳数据时。
• 同步问题： 管道的使用可能涉及到进程间的同步问题，需要谨慎处理。

图1  匿名管道

ls |wc -l

        这是一种典型的使用匿名管道的情况，用于连接两个进程，其中一个进程的输出成为另一个进程的输入。在这里，ls命令用于列出目录中的文件，而wc -l命令则用于统计行数，因此可以用于统计目录中文件的数量。

 二 、管道特点

 

匿名管道工作

1. 内核内存中的缓冲器：

   • 管道是在内核内存中维护的缓冲器，用于在两个进程之间传递数据。这个缓冲器是有限的，因此管道的容量是有限的，当管道达到容量上限时，写操作可能会阻塞。

2. 匿名管道与有名管道的特性：

   • 匿名管道没有文件实体，它是通过系统调用 pipe 创建的。有名管道则是在文件系统中有唯一名称的文件，通过 mkfifo 创建。有名管道可用于不同进程之间的通信，而匿名管道通常用于有亲缘关系的进程。

3. 管道的读写操作：

   • 管道的读写操作与文件相似，可以使用标准的文件I/O操作，如read和write。进程通过向管道写入数据，或从管道读取数据来进行通信。

4. 消息边界的缺失：

   • 与消息队列不同，管道是一个字节流，不存在消息边界的概念。进程可以读取任意大小的数据块，而不受写入数据块大小的限制。这种特性使得管道在流式数据传输场景中非常灵活。

5. 数据的顺序性：

   • 管道传递的数据是顺序的，即数据的读取顺序与写入顺序保持一致。这确保了在管道中传递的数据在接收端是按照正确的顺序被处理。

6. 单向传递：

   • 管道是单向的，即数据的传递方向是确定的。一端用于写入数据，另一端用于读取数据。这使得管道成为半双工的通信机制。

7. 一次性读取：

   • 从管道中读取数据是一次性的操作，即一旦数据被读取，它就从管道中被移除。这也意味着，如果某个进程没有读取所有写入管道的数据，这些数据将被丢弃。

8. 无法随机访问：

   • 与文件不同，管道中的数据不能通过 seek() 等操作进行随机访问。由于管道是一个流式的通信机制，数据只能按顺序读取。

9. 匿名管道的限制：

   • 匿名管道通常限制在具有公共祖先的进程之间使用。这通常是父子进程之间的通信，或者通过其他方式具有亲缘关系的进程之间的通信。匿名管道是在 pipe() 系统调用时创建的。

三、 为什么可以使用管道进行进程间通信

 

        在父子进程或兄弟进程之间使用匿名管道进行通信时，理解文件描述符表的概念是非常重要的。文件描述符表是每个进程内部维护的一张表，用于跟踪打开的文件和其他I/O资源。以下是匿名管道在进程间通信中与文件描述符表的关系：

1. 文件描述符的创建：

   • 当调用 pipe 系统调用创建匿名管道时，会返回两个文件描述符，这两个文件描述符分别代表管道的读端和写端。

2. 父子进程之间的文件描述符继承：

   • 在调用 fork 创建子进程时，子进程将会继承父进程的文件描述符表。这意味着子进程也会获得父进程的管道文件描述符。

3. 关闭不需要的文件描述符：

   • 通常，在使用管道进行通信时，需要关闭不需要的文件描述符。例如，在子进程中关闭管道的写端，在父进程中关闭管道的读端，以确保每个进程只使用它需要的文件描述符。

4. 数据流动：

   • 当一个进程向管道写入数据时，数据通过管道流向另一个进程。这是通过在一个进程中使用 write，在另一个进程中使用 read 来完成的，而这些操作使用文件描述符。

匿名管道通信（父子进程、兄弟进程）

四、管道的数据结构

 

五、 父子进程之间使用匿名管道通信

/*
            #include 
            int pipe(int pipefd[2]);
                功能：
                    创建一个匿名管道，用来进程通信
                参数：
                    int pipefd[2] 这个数组是一个传出参数
                    pipefd[0] 对应管道的读端（文件描述符)
                    pipefd[2] 对应管道的写端
                返回值：
                    成功：0
                    失败：-1
                注意： 匿名管道只能用于具有关系的进程之间的通信（父子进程、兄弟进程）

 */

#include 
#include 
#include 
#include 
// 子进程发送数据给父进程，父进程输出
int main(){
    // 在fork之前创建管道
    int pipefd[2];
    int ret = pipe(pipefd);
    if(ret==-1){
        perror("pipe");
        exit(0);
    }
    // 创建子进程
    pid_t pid =fork();
    if(pid>0){
        printf(" i am a parent,pid : %d\n",getpid());
        char buf[1024]={0};
        while(1){
            //读
            int len = read(pipefd[0],buf,sizeof(buf));
            printf("parent recv :%s,pid: %d\n",buf,getpid());

            char * str ="heloo ,i am your parent";
            // 想管道写数据
            write(pipefd[1],str, strlen(str));
            sleep(1);
        }

    }else if(pid==0){
        //sleep(10);
        printf(" i am a child process, pid: %d\n",getpid());
        char buf[1024]={0};
        while (1){
            char * str ="heloo ,i am your grandfaher";
            // 向管道写数据
            write(pipefd[1],str, strlen(str));
            sleep(1);
            // 读
            int len = read(pipefd[0],buf,sizeof(buf));
            printf("parent recv :%s,pid: %d\n",buf,getpid());


        }

    }
    return 0;
}

 六、fpathconf查看管道大小

  fpathconf 是一个用于获取文件路径配置值（pathconf values）的函数。通过这个函数，可以获取与文件或文件描述符相关联的一些运行时配置信息，包括管道的大小。

       要查看管道的大小，可以通过 fpathconf 函数来获取相应的配置值。对于管道的大小，我们关注的是 PIPE_BUF，它表示一个原子的写入或读取操作的最大字节数。注意，PIPE_BUF 并不一定反映实际管道的大小，而是表示每次写入或读取的最大字节数，它是一个限制，不同系统可能有不同的值

 

#include 
#include 
#include 
#include 

int main(){
    int pipefd[2];

    int ret = pipe(pipefd);
    //获取管道大小
    long size = fpathconf(pipefd[0],_PC_PIPE_BUF);
    printf("pipe size : %ld\n",size);
    return 0;
}