进程间通信无名管道 --- pipe 典型的生产者消费者模式

最新推荐文章于 2024-02-08 17:03:19 发布

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分类专栏： Linux系统编程

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管道的概述

管道也叫无名管道，它是是 UNIX 系统 IPC（进程间通信）的最古老形式，所有的 UNIX 系统都支持这种通信机制。

无名管道有如下特点：

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。

对于无名管道特点的理解，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。

无名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。

管道的操作

所需头文件：

#include <unistd.h>

int pipe(int filedes[2]);

功能：

创建无名管道。

参数：

filedes: 为 int 型数组的首地址，其存放了管道的文件描述符 filedes[0]、filedes[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

下面我们写这个一个例子，子进程通过无名管道给父进程传递一个字符串数据：

#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/wait.h>  
  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    int fd_pipe[2] = {0};  
    pid_t pid;  
      
    if( pipe(fd_pipe) < 0 ){// 创建无名管道  
        perror("pipe");  
    }  
      
    pid = fork(); // 创建进程  
    if( pid < 0 ){ // 出错  
        perror("fork");  
        exit(-1);  
    }  
      
    if( pid == 0 ){ // 子进程  
        char buf[] = "I am sunplus";  
        // 往管道写端写数据  
        write(fd_pipe[1], buf, strlen(buf));  
          
        _exit(0);  
    }else if( pid > 0){// 父进程  
        wait(NULL); // 等待子进程结束，回收其资源  
          
        char str[50] = {0};  
          
        // 从管理里读数据  
        read(fd_pipe[0], str, sizeof(str));  
          
        printf("str=[%s]\n", str); // 打印数据  
    }  
      
    return 0;  
}

运行结果：

管道的特点

每个管道只有一个页面作为缓冲区，该页面是按照环形缓冲区的方式来使用的。这种访问方式是典型的“生产者——消费者”模型。当“生产者”进程有大量的数据需要写时，而且每当写满一个页面就需要进行睡眠等待，等待“消费者”从管道中读走一些数据，为其腾出一些空间。相应的，如果管道中没有可读数据，“消费者” 进程就要睡眠等待，具体过程如下图所示：

默认的情况下，从管道中读写数据，最主要的特点就是阻塞问题（这一特点应该记住），当管道里没有数据，另一个进程默认用 read() 函数从管道中读数据是阻塞的。

#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/wait.h>  
  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    int fd_pipe[2] = {0};  
    pid_t pid;  
      
    if( pipe(fd_pipe) < 0 ){// 创建无名管道  
        perror("pipe");  
    }  
      
    pid = fork(); // 创建进程  
    if( pid < 0 ){ // 出错  
        perror("fork");  
        exit(-1);  
    }  
      
    if( pid == 0 ){ // 子进程  
          
        _exit(0);  
    }else if( pid > 0){// 父进程  
      
        wait(NULL); // 等待子进程结束，回收其资源  
          
        char str[50] = {0};  
          
        printf("before read\n");  
          
        // 从管道里读数据，如果管道没有数据， read()会阻塞  
        read(fd_pipe[0], str, sizeof(str));  
          
        printf("after read\n");  
          
        printf("str=[%s]\n", str); // 打印数据  
    }  
      
    return 0;  
}

运行结果：

没有继续往下执行

当然，我们编程时可通过 fcntl() 函数设置文件的阻塞特性。

设置为阻塞：fcntl(fd, F_SETFL, 0);

设置为非阻塞：fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);

测试代码如下：

#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/wait.h>  
#include <fcntl.h>  
  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    int fd_pipe[2] = {0};  
    pid_t pid;  
      
    if( pipe(fd_pipe) < 0 ){// 创建无名管道  
        perror("pipe");  
    }  
      
    pid = fork(); // 创建进程  
    if( pid < 0 ){ // 出错  
        perror("fork");  
        exit(-1);  
    }  
      
    if( pid == 0 ){ // 子进程  
          
        sleep(3);  
          
        char buf[] = "hello, edu";  
        write(fd_pipe[1], buf, strlen(buf)); // 写数据  
          
        _exit(0);  
    }else if( pid > 0){// 父进程  
      
        fcntl(fd_pipe[0], F_SETFL, O_NONBLOCK); // 非阻塞  
        //fcntl(fd_pipe[0], F_SETFL, 0); // 阻塞  
          
        while(1){  
            char str[50] = {0};  
            read( fd_pipe[0], str, sizeof(str) );//读数据  
              
            printf("str=[%s]\n", str);  
            sleep(1);  
        }  
    }  
      
    return 0;  
}

运行结果：

默认的情况下，从管道中读写数据，还有如下特点（知道有这么回事就够了，不用刻意去记这些特点）：

1）调用 write() 函数向管道里写数据，当缓冲区已满时 write() 也会阻塞。

测试代码如下：

#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/wait.h>  
  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    int fd_pipe[2] = {0};  
    pid_t pid;  
      
    char buf[1024] = {0};  
    memset(buf, 'a', sizeof(buf)); // 往管道写的内容  
    int i = 0;  
      
    if( pipe(fd_pipe) < 0 ){// 创建无名管道  
        perror("pipe");  
    }  
      
    pid = fork(); // 创建进程  
    if( pid < 0 ){ // 出错  
        perror("fork");  
        exit(-1);  
    }  
      
    if( pid == 0 ){ // 子进程  
        while(1){  
            write(fd_pipe[1], buf, sizeof(buf));  
            i++;  
            printf("i ======== %d\n", i);  
        }  
          
        _exit(0);  
    }else if( pid > 0){// 父进程  
      
        wait(NULL); // 等待子进程结束，回收其资源  
    }  
      
    return 0;  
}

运行结果：

不停的写，当写满的时候也是会产生阻塞的！！！！！！！！！！！

2）通信过程中，别的进程先结束后，当前进程读端口关闭后，向管道内写数据时，write() 所在进程会（收到 SIGPIPE 信号）退出，收到 SIGPIPE 默认动作为中断当前进程。

#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/wait.h>  
  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    int fd_pipe[2] = {0};  
    pid_t pid;  
      
    if( pipe(fd_pipe) < 0 ){// 创建无名管道  
        perror("pipe");  
    }  
      
    pid = fork(); // 创建进程  
    if( pid < 0 ){ // 出错  
        perror("fork");  
        exit(-1);  
    }  
      
    if( pid == 0 ){ // 子进程  
        //close(fd_pipe[0]);  
          
        _exit(0);  
    }else if( pid > 0 ){// 父进程  
      
        wait(NULL); // 等待子进程结束，回收其资源  
          
        close(fd_pipe[0]); // 当前进程读端口关闭  
          
        char buf[50] = "12345";  
          
        // 当前进程读端口关闭  
        // write()会收到 SIGPIPE 信号，默认动作为中断当前进程  
        write(fd_pipe[1], buf, strlen(buf));  
          
        while(1);   // 阻塞  
    }  
      
    return 0;  
}

运行结果：