深刻理解Linux进程间通信(管道、有名管道)

深刻理解Linux进程间通信(管道、有名管道)

1、 管道概述及相关API应用

1.1 管道相关的关键概念

管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一，具有以下特点：

• 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）；
• 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。
• 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：

#include <unistd.h>
  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）。

1.3管道的读写规则：

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）。注：（PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定义，不同的内核版本可能会有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少为512字节，red hat 7.2中为4096）。

关于管道的读规则验证：

/**************
* readtest.c *
**************/
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
main()
{
      int pipe_fd[2];
      pid_t pid;
      char r_buf[100];
      char w_buf[4];
      char* p_wbuf;
      int r_num;   
      int cmd;

      memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
      memset(w_buf,0,sizeof(r_buf));
      p_wbuf=w_buf;
      if(pipe(pipe_fd)<0)
      {
            printf("pipe create error\n");
            return -1;
      }

      if((pid=fork())==0)
      {
            printf("\n");
            close(pipe_fd[1]);
            sleep(3);//确保父进程关闭写端
            r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,100);
            printf( "read num is %d   the data read from the pipe is %d\n",r_num,atoi(r_buf));
            close(pipe_fd[0]);
            exit();
      }
      else if(pid>0)
      {
            close(pipe_fd[0]);//read
            strcpy(w_buf,"111");
            if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!=-1)
            printf("parent write over\n");
            close(pipe_fd[1]);//write
            printf("parent close fd[1] over\n");
            sleep(10);
       }
}
/**************************************************
* 程序输出结果：
* parent write over
* parent close fd[1] over
* read num is 4   the data read from the pipe is 111
* 附加结论：
* 管道写端关闭后，写入的数据将一直存在，直到读出为止.
****************************************************/

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

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main()
{
      int pipe_fd[2];
      pid_t pid;
      char r_buf[4];
      char* w_buf;
      int writenum;
      int cmd;
      memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
      if(pipe(pipe_fd)<0)
      {
            printf("pipe create error\n");
            return -1;
      }
      if((pid=fork())==0)
      {
            close(pipe_fd[0]);
            close(pipe_fd[1]);
            sleep(10);
            exit();
      }
      else if(pid>0)
      {
            sleep(1);  //等待子进程完成关闭读端的操作
            close(pipe_fd[0]);//write
            w_buf="111";
            if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4))==-1)
                  printf("write to pipe error\n");
            else
                  printf("the bytes write to pipe is %d \n", writenum);
            close(pipe_fd[1]);
      }
}

则输出结果为： Broken pipe,原因就是该管道以及它的所有fork()产物的读端都已经被关闭。如果在父进程中保留读端，即在写完pipe后，再关闭父进程的读端，也会正常写入pipe，读者可自己验证一下该结论。因此，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，否则就会出现上述错误（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

结论：

写入数目小于4096时写入是非原子的！
如果把父进程中的两次写入字节数都改为5000，则很容易得出下面结论：
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。

1.4管道应用实例：

实例一：用于shell

管道可用于输入输出重定向，它将一个命令的输出直接定向到另一个命令的输入。比如，当在某个shell程序（Bourne shell或C shell等）键入who│wc -l后，相应shell程序将创建who以及wc两个进程和这两个进程间的管道。考虑下面的命令行：

$kill -l
$kill -l | grep SIGRTMIN

实例二：用于具有亲缘关系的进程间通信

下面例子给出了管道的具体应用，父进程通过管道发送一些命令给子进程，子进程解析命令，并根据命令作相应处理。

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main()
{
      int pipe_fd[2];
      pid_t pid;
      char r_buf[4];
      char* w_buf;
      int writenum;
      int cmd;
      memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
      if(pipe(pipe_fd)<0)
      {
            printf("pipe create error\n");
            return -1;
      }
      if((pid=fork())==0)
      {
            close(pipe_fd[0]);
            close(pipe_fd[1]);
            sleep(10);
            exit();
      }
      else if(pid>0)
      {
            sleep(1);  //等待子进程完成关闭读端的操作
            close(pipe_fd[0]);//write
            w_buf="111";
            if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4))==-1)
                  printf("write to pipe error\n");
            else
                  printf("the bytes write to pipe is %d \n", writenum);   
            close(pipe_fd[1]);
      }
}

输出结果：
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 1000  //注意，此行输出说明了写入的非原子性
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 120  //注意，此行输出说明了写入的非原子性
the bytes write to pipe 0
the bytes write to pipe 0
......

1.5 管道的局限性

管道的主要局限性正体现在它的特点上：

• 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