linux入门到精通-第十一章-进程间通信（无名管道）

参考

视频教程

概念

进程是一个独立的资源分配单元，不同进程（这里所说的进程通常指的是用户进程）之间的资源是独立的没有关联，不能在一个进程中直接访问另一个进程的资源。
但是，进程不是孤立的，不同的进程需要进行信息的交互和状态的传递等，因此需要进程间通信( IPC:InterProcesses Communication).

进程通信的目的：

• 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
• 通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它(它们)发生了某种事件(如进程终止时要通知父进程)
• 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了做到这一点，需要内核提供互斥和同步机制。
• 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行(如 Debug 进程)，此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变

Linux 操作系统支持的主要进程间通信的通信机制:

无名管道

概述

管道也叫无名管道，它是是 UNIX 系统IPC(进程间通信)的最老形式，所有的 UNIX 系统都支持这种通信机制。
管道有如下特点:

• 1)半双工，数据在同一时刻只能在一个方向上流动
• 2)数据只能从管道的一端写入，从另一端读出。
• 3)写入管道中的数据遵循先入先出的规则。
• 4)管道所传送的数据是无格式的，这要求管道的读出方与写入方必须事先约定好数据的格式，如多少字节算一个消息等。
• 5)管道不是普通的文件，不属于某个文件系统，其只存在于内存中
• 6)管道在内存中对应一个缓冲区。不同的系统其大小不一定相同。
• 7)从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读走，它就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据.
• 8)管道没有名字，只能在具有公共祖先的进程(父进程与子进程，或者两个兄弟进程，具有亲缘关系)之间使用。

对于管道特点的理解，我们可以类比现实生活中管子，管子的一端塞东西，管子的另一端取东西。
管道是一种特殊类型的文件，在应用层体现为两个打开的文件描述符。

pipe函数

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
功能:创建无名管道。
参数:
	pipefd :为 int 型数组的首地址，其存放了管道的文件描述符 pipefd[0]、pipefd[1]。
	当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符 fd[0] 和 fd[1]。其中 fd[0] 固定用于读管道，而fd[1] 固定用于写管道。一般文件 I/O的函数都可以用来操作管道(lseek() 除外)
返回值:
	成功:0
	失败: -1

建立无名管道

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
//用于创建无名管道
int main(void)
{
    int fds[2];
    int ret = -1;
    //创建一个无名管道
    ret = pipe(fds);
    if (-1 == ret)
    {
        perror("pipe");
        return 1;
    }
    
    
    //fds[0]用于读,fds[1]用于写
    printf("fds[0]: %d fds[1]: %d\n", fds[0], fds[1]);
    //关闭文件描述符
    close(fds[0]);
    close(fds[1]);
return 0;
}

父子进程使用无名管道通信

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define SIZE 1024

//用于创建无名管道
int main(void)
{
    int fds[2];
    int ret = -1;
    char buf[SIZE];
    //创建一个无名管道
    ret = pipe(fds);
    if (-1 == ret)
    {
        perror("pipe");
        return 1;
    }
    //fds[0]用于读,fds[1]用于写
    printf("fds[0]: %d fds[1]: %d\n", fds[0], fds[1]);
    pid_t pid =-1;
	//创建一个子进程在父进程中返回子进程的pid
	//fork函数在子进程中返回0
	pid = fork();
	if(pid <0)
	{
		// 没有创建成功
		perror("fork");
		return 0;

	}
	if (0 == pid)
	{
		//子进程
		// 关闭写端
        close(fds[1]);
        memset(buf, 0, SIZE);
        ret = read(fds[0], buf, SIZE);
        if(ret>0)
        {
            printf("子进程读取到：%s\n", buf);
        }else{
            perror("read");
            exit(-1);
        }
        // 关闭读端
        close(fds[0]);
	}
	else
	{
		//父进程
        // 关闭读端
        close(fds[0]);
        ret = write(fds[1], "ABCDEFG", 8);
        if(ret<0)
        {
            perror("write");
            return 1;
        }
        printf("父进程写len:%d\n", ret);
		// 关闭写端
        close(fds[1]);
		
	}
return 0;
}

运行

root@sony-HP-Notebook:/usr/local/cpp_demo/pipe# ./a.out 
fds[0]: 3 fds[1]: 4
父进程写len:8

管道读写特点

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)

• 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，就像读到文件未尾一样。
• 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(管道读端用计数为0)，这时有进程管道的写端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。具体方法信号章节详细介绍。
• 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:
读管道:

• 管道中有数据，read返回实际读到的字节数
• 管道中无数据
  u 管道写端被全部关闭，read返回0(相当于读到文件结尾)
  u 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)

写管道:

• 管道读端全部被关闭，- 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程终止)
• 管道读端没有全部关闭:
  u管道已满，write阻寨
  u 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数

设置非阻塞的方法

//获取原来的flags
int flags = fcnt1(fd[0], F_GETFL);
// 设置新的f1ags
flag |= O_NONBLOCK;
// flags = flags | O_NONBLOCK;
fcnt1(fd[0], F_SETFL, flags );

结论：如果写端没有关闭，读端设置为非阻塞，如果没有数据，直接返回-1。

查看管道缓冲区命令

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pipe size
默认是4kb

查看管道缓冲区函数

#include <unistd.h>
long fpathconf(int fd,int name);
功能:i该函数可以通过name参数查看不同的属性值
参数
	fd:文件描述符
	name:
		_PC_PIPE_BUF，查看管道缓冲区大小
		_PC_NAME_MAX，文件名字字节数的上限
返回值:
	成功: 根据name返回的值的意义也不同
	失败: -1

示例代码