在文章《linux基础编程:进程通信之信号》中,我们看到信号作为进程之间的通信方式。但是传送的信息之限于一个信号值。而本文将会介绍Linux支持的最初Unix IPC之一:管道和命名管道,它允许进程之间交换更多的数据,管道指的是从一个进程连接数据流到另一个进程。它具有以下特点:
本文详细介绍管道相关信息。
#include <stdio.h> FILE *popen(const char *command, const char *type); int pclose(FILE *stream);popen允许一个程序将另一个程序作为新进程启动。并可以传递数据给它或者通过它接受数据。type仅能为"r"和“w”两种。当type="r"时,调用程序可以通过FILE文件流指针从被调用程序的输出获得数据;当type="w"时,调用程序可以通过fwrite函数向被调用程序发送数据。popen函数不支持任何其他选项。当popen启动的进程结束后,需要利用pclose关闭与之关联的文件流。如果在调用pclose时候,进程还在运行,那么pclose将会阻塞等待进程结束再返回。
static void check_image(char * imagename) { FILE * fp; char command[120]; char buf[200]; bool ret; sprintf(command, "cksum %s", imagename); fp = popen(command, "r"); if(fp == NULL) return; fgets(buf, 200, fp); fprintf(stdout, "Check Image: %s... Done\n", buf); fclose(fp); return; }
#include <unistd.h> int pipe(int pipefd[2]);
利用pipe创建的管道包含两个文件描述符fd[0]以及fd[1],需要注意的是,该处是文件描述符而不是文件流,对该文件描述符进行读写必须采用read和write系统调用,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。结构如下图:
从管道中读取数据:
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> int main() { pid_t pid = 0; int fds[2], nwr = 0; char buf[128]; pipe(fds); pid = fork(); if(pid < 0) { printf("Fork error.\n"); return -1; }else if(pid == 0) { printf("This is child process, pid = %d\n", getpid()); //part A printf("Child:waiting for message...\n"); nwr = read(fds[0], buf, sizeof(buf)) printf("Child:received\"%s\"\n", buf); //part B printf("Child:send reply\n"); strcpy(buf, "Reply from child"); nwr = write(fds[1], buf, sizeof(buf)); printf("Child:send %d bytes to parent.\n", nwr); }else{ printf("This is parent process, pid = %d\n", getpid()); printf("Parent:sending message...\n"); strcpy(buf, "Message from parent"); nwr = write(fds[1], buf, sizeof(buf)); printf("Parent:send %d bytes to child.\n", nwr); //part C printf("Parent:waiting for reply from child...\n"); nwr = read(fds[0], buf, sizeof(buf)); printf("Parent:received \"%s\" from child\n", buf); } return 0; }
管道应用的一个重大限制是它没有名字,因此,只能用于具有亲缘关系的进程间通信,在有名管道(named pipe或FIFO)提出后,该限制得到了克服。FIFO不同于管道之处在于它提供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(能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间),因此,通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值得注意的是,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。
对命名管道的操作和对文件操作相似,包括创建,打开,读写,和关闭操作。
#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);该函数的第一个参数是一个普通的路径名,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的第一个参数是一个已经存在的路径名时,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的函数就可以了吗,程序如下:
if(access(FIFO_NAME,F_OK)==-1){ res=mkfifo(FIFO_NAME,0777); if(res!=0){ fprintf(stderr,"Could not create fifo %s\n",FIFO_NAME); exit(EXIT_FAILURE); } } res=open(FIFO_NAME,open_mode);
打开的FIFO的限制是:由于FIFO是单向数据传输,程序不能以O_RDWR方式打开FIFO同时进行读写操作,只能是O_RDONLY或者O_WRONLY方式,打开函数如下:
#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int open(const char *pathname, int flags);打开FIFO文件和普通文件的另外一个差别是:O_NONBLOCK选项对open的阻塞的影响,主要分为下面几种情况:
flags=O_RDONLY:open将会调用阻塞,除非有另外一个进程以写的方式打开同一个FIFO,否则一直等待。
flags=O_WRONLY:open将会调用阻塞,除非有另外一个进程以读的方式打开同一个FIFO,否则一直等待。
flags=O_RDONLY|O_NONBLOCK:如果此时没有其他进程以写的方式打开FIFO,此时open也会成功返回,此时FIFO被读打开,而不会返回错误。
flags=O_WRONLY|O_NONBLOCK:立即返回,如果此时没有其他进程以读的方式打开,open会失败打开,此时FIFO没有被打开,返回-1。
命名管道创建和打开测试程序:
#include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<stdio.h> #include<string.h> #include<fcntl.h> #include<sys/types.h> #include<sys/stat.h> #define FIFO_NAME "/tmp/my_fifo" int main(int argc,char *argv[]) { int res; int open_mode=0; if(argc < 2){ fprintf(stderr,"Usage:%s<some combination of \ O_RDONLY,O_WRONLY,O_NONBLOCK\n",*argv); exit(EXIT_FAILURE); } argv++; if(strncmp(*argv,"O_RDONLY",8)==0)open_mode|=O_RDONLY; if(strncmp(*argv,"O_WRONLY",8)==0)open_mode|=O_WRONLY; if(strncmp(*argv,"O_NONBLOCK",10)==0)open_mode|=O_NONBLOCK; argv++; if(*argv){ if(strncmp(*argv,"O_RDONLY",8)==0)open_mode|=O_RDONLY; if(strncmp(*argv,"O_WRONLY",8)==0)open_mode|=O_WRONLY; if(strncmp(*argv,"O_NONBLOCK",10)==0)open_mode|=O_NONBLOCK; } if(access(FIFO_NAME,F_OK)==-1){ res=mkfifo(FIFO_NAME,0777); if(res!=0){ fprintf(stderr,"Could not create fifo %s\n",FIFO_NAME); exit(EXIT_FAILURE); } } printf("process %d open FIFO with %d\n",getpid(),open_mode); res=open(FIFO_NAME,open_mode); printf("process %d result %d\n",getpid(),res); sleep(5); if(res!=-1)close(res); printf("process %d finished\n",getpid()); exit(EXIT_SUCCESS); }
对命名管道的读写需要利用系统调用read函数:
#include <unistd.h> ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
在写管道时,需要考虑FIFO可以存在的数据长度是有限制的,在limits.h文件中由#definde PIPE_BUF语句定义,通常是4096字节。
对于设置了阻塞标志的写操作:
#include <unistd.h> int close(int fd);
管道常用于两个方面:在shell中时常会用到管道(作为输入输入的重定向),在这种应用方式下,管道的创建对于用户来说是透明的;用于具有亲缘关系的进程间通信,用户自己创建管道,并完成读写操作。FIFO可以说是管道的推广,克服了管道无名字的限制,使得无亲缘关系的进程同样可以采用先进先出的通信机制进行通信。管道和FIFO的数据是字节流,应用程序之间必须事先确定特定的传输"协议",采用传播具有特定意义的消息。要灵活应用管道及FIFO,理解它们的读写规则是关键。