进程间通信pipe

管道

管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：

1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)

2. 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。

3. 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。

管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。

管道的局限性：

① 数据自己读不能自己写。

② 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。

③ 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。

④ 只能在有公共祖先的进程间使用管道。

常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信。

pipe函数

 创建管道

int pipe(int pipefd[2]); 成功：0；失败：-1，设置errno

函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。规定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢？通常可以采用如下步骤：

1. 父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。

2. 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。

3. 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。 

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

int main(int argc, char **argv)
{
    int pid;
    int pipefd[2];
    char buf[128];
    int ret;

    ret = pipe(pipefd);
    if (ret == -1)
    {
        perror("pipe error");
        exit(1);
    }

    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        //子进程
        //关闭写
        close(pipefd[1]);
        while (1)
        {
            ret = read(pipefd[0], buf, 128);
            if (ret > 0)
            {
                buf[ret] = '\0';
                printf("pipe read data:%s\n", buf);
            }
        }
    }
    else if (pid > 0)
    {
        //关闭读
        close(pipefd[0]);
        //父进程
        while (1)
        {
            ret = write(pipefd[1], "hello", strlen("hello"));
            sleep(2);
        }
    }
    else
    {
        perror("fork error.");
        exit(1);
    }

    return 0;
}

 

管道的读写行为 

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，就像读到文件末尾一样。

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（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端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： 

① 读管道： 1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。

2. 管道中无数据：

(1) 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)

  (2) 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)

    ② 写管道： 1. 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)

2. 管道读端没有全部关闭：

(1) 管道已满，write阻塞。

(2) 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

 实例：

使用管道实现父子进程间通信，完成：ls | wc –l。假定父进程实现ls，子进程实现wc。ls命令正常会将结果集写出到stdout，但现在会写入管道的写端；wc –l 正常应该从stdin读取数据，但此时会从管道的读端读。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

//使用管道实现父子进程间通信，完成：ls | wc –l。假定父进程实现ls，子进程实现wc。
//ls命令正常会将结果集写出到stdout，但现在会写入管道的写端；
//wc –l 正常应该从stdin读取数据，但此时会从管道的读端读。

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd[2];
    pid_t pid;

    int ret;

    ret = pipe(fd);
    if (ret == -1)
    {
        perror("pipe error");
        exit(-1);
    }

    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        //子进程，实现wc
        close(fd[1]);
        //dup2(STDIN_FILENO, fd[0]);
        dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
        execlp("wc", "wc", "-l", NULL);
        perror("execl error");
    }
    else if (pid > 0)
    {
        close(fd[0]);
        //dup2(STDOUT_FILENO, fd[1]);
        dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
        //父进程，实现ls
        execlp("ls", "ls", "-l", NULL);
        perror("execl error");
    }
    else
    {
        perror("fork error");
        exit(-2);
    }

    return 0;
}

 

 

程序不时的会出现先打印$提示符，再出程序运行结果的现象。这是因为：父进程执行ls命令，将输出结果给通过管道传递给子进程去执行wc命令，这时父进程若先于子进程打印wc运行结果之前被shell使用wait函数成功回收，shell就会先于子进程打印wc运行结果之前打印$提示符。

 解决方法：让子进程执行ls,父进程执行wc命令。或者在兄弟进程间完成。可以改进程序，父进程创建2个子进程，子进程1实现ls，子进程2实现wc，父进程实现子进程的回收。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    int fd[2];
    pid_t  pid;
    int i;

    int ret = pipe(fd);
    if (ret == -1) {
        perror("pipe error:");
        exit(1);
    }

    for (i = 0; i < 2; i++){
        pid = fork();
        if (pid == -1) {
            perror("pipe error:");  //ls | wc -l
            exit(1);
        }
        if (pid == 0)
            break;
    }

    if (i == 0) {  //兄  ls 
        close(fd[0]);
        dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
        execlp("ls", "ls", NULL);
    } else if (i == 1) { // 弟 wc -l 
        close(fd[1]);
        dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
        execlp("wc", "wc", "-l", NULL);
    } else if (i == 2) {  //父 
        close(fd[0]);
        close(fd[1]);
        for(i = 0; i < 2; i++)
            wait(NULL);
    }

    return 0;
}

管道缓冲区大小

可以使用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。通常为：

pipe size            (512 bytes, -p) 8

也可以使用fpathconf函数，借助参数 选项来查看。使用该宏应引入头文件<unistd.h>

long fpathconf(int fd, int name); 成功：返回管道的大小 失败：-1，设置errno

管道的优劣

优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。

缺点：1. 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。

            2. 只能用于父子、兄弟进程(有共同祖先)间通信。该问题后来使用fifo有名管道解决。