004_ipc概述及管道_判断:匿名管道的缺点是通信的进程,它们的关系一定是父子进程的关系,这使得它的使-优快云博客

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在 Linux 和其他类 Unix 操作系统中，管道（pipe）是一种用于在进程间进行通信的机制。管道允许在命令之间传递数据，通常用于将一个命令的输出作为另一个命令的输入。管道是 Unix哲学 “一切皆文件” 的一个体现，每个管道都可以被视为一个特殊的文件。

管道的类型

匿名管道 (pipe): 只能在具有亲缘关系的进程间（例如父子进程）进行通信。它没有名字，因此只能在创建它的进程及其子进程之间使用。
命名管道 (FIFO 或 named pipe): 可以在任意两个进程之间进行通信，即使它们之间没有亲缘关系。命名管道在文件系统中有一个名字，因此可以在不同的进程之间传递数据。

ls命令（其实也是一个进程）会把当前目录中的文件都列出来，但是它不会直接输出，而是把本来要输出到屏幕上的数据通过管道输出到grep这个进程中，作为grep这个进程的输入，然后这个进程对输入的信息进行筛选，把存在string的信息的字符串（以行为单位）打印在屏幕上

1.匿名管道

popen

在 C 语言中，popen 函数提供了一个高级接口来创建一个管道，并与另一个进程进行通信。它允许你启动一个命令，并能够从标准输入或标准输出读取数据。

FILE *popen(const char *command, const char *type);

command 是一个指向要执行的 shell 命令的指针。
type 是一个指向字符串的指针，该字符串必须是 “r” 或 “w”，分别表示你想要从命令读取输出（读取模式）还是向命令写入输入（写入模式）。
返回值：如果成功，popen 返回一个 FILE 指针，可以通过这个指针使用标准 I/O 函数，（如 fread, fgets, fprintf, fwrite 等）与管道进行通信。如果失败，返回 NULL

【testcode】

在这个例子中，popen 被用来执行 ls -l 命令，并将输出重定向到 FILE 指针 fp。然后，使用 fgets 读取命令的输出，并打印到标准输出。最后，使用 pclose 函数关闭文件指针并等待命令结束。

【注意事项】

使用 popen 创建的管道必须通过 pclose 函数关闭，而不是 fclose。pclose 会等待命令结束，并返回命令的退出状态。
当使用 popen 与另一个进程通信时，必须确保该进程正确地处理了所有的输入和输出，否则可能会导致进程挂起或资源泄露。
popen 函数在执行 shell 命令时可能会受到 shell 注入攻击，因此在使用时应谨慎处理命令字符串，特别是当命令包含用户输入时。
popen的优缺点：
当请求popen()调用运行一个程序时，它首先启动shell，即系统中的sh命令，然后将command字符串作为一个参数传递给它。

这样就带来了一个优点和一个缺点。优点是：在Linux中所有的参数扩展都是由shell来完成的。所以在启动程序（command中的命令程序）之前先启动shell来分析命令字符串，也就可以使各种shell扩展（如通配符）在程序启动之前就全部完成，这样我们就可以通过popen()启动非常复杂的shell命令。

而它的缺点就是：对于每个popen()调用，不仅要启动一个被请求的程序，还要启动一个shell，即每一个popen()调用将启动两个进程，从效率和资源的角度看，popen()函数的调用比正常方式要慢一些

pclose

int pclose(FILE *stream_to_close);

入参：FILE *stream_to_close：文件流指针

pipe

在计算机科学中，pipe 是一种用于进程间通信（IPC）的机制，它允许在两个相关进程之间传递数据。以下是关于 pipe 的一些详细信息：

【定义】

pipe 创建一个单向的数据通道，通常用于父进程和子进程之间的通信。它由一个读端和一个写端组成，数据从写端流入，从读端流出。

【使用方式】

在 POSIX 兼容的操作系统中，pipe 函数的原型如下：

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);

pipefd 是一个包含两个整数的数组，pipe 函数会在成功时填充这个数组。
- pipefd[0] 是管道的读端。
- pipefd[1] 是管道的写端。

【工作原理】

当调用 pipe 函数时，内核会创建一个新的管道，并返回两个文件描述符。
写入端（pipefd[1]）用于写入数据，读取端（pipefd[0]）用于读取数据。
数据写入管道后，会一直存在于管道中，直到被读取端读取

【testcode】

举个例子，父进程通过管道向子进程发送字符串 “hello pipe\n”，子进程读取这个字符串并打印到标准输出

方式1：

方式2：

【注意事项】

管道是半双工的，数据只能在一个方向上流动。
管道的大小通常是有限的，如果写入的数据超过了这个限制，写操作可能会阻塞，直到有足够的空间来接收更多的数据。
管道只能在具有共同祖先的进程之间使用，例如父子进程。
如果说popen()是一个高级的函数，pipe()则是一个底层的调用。与popen()函数不同的是，它在两个进程之间传递数据不需要启动一个shell来解释请求命令，同时它还提供对读写数据的更多的控制
数组中的两个文件描述符以一种特殊的方式连接起来，数据基于先进先出的原则，写到pipefd[1]的所有数据都可以从pipefd[0]读回来。由于数据基于先进先出的原则，所以读取的数据和写入的数据是一致的。

特别提醒：

1、从函数的原型我们可以看到，它跟popen函数的一个重大区别是，popen()函数是基于文件流（FILE）工作的，而pipe是基于文件描述符工作的，所以在使用pipe后，数据必须要用底层的read()和write()调用来读取和发送。

2、不要用pipefd[0]写数据，也不要用pipefd[1]读数据，其行为未定义的，但在有些系统上可能会返回-1表示调用失败。数据只能从pipefd[0]中读取，数据也只能写入到pipefd[1]，不能倒过来。

close

在编程和系统调用中，close 是一个用于关闭文件描述符的函数。以下是关于 close 的一些详细信息：

定义

close 函数用于关闭一个打开的文件描述符。文件描述符是一个非负整数，由操作系统用于标识打开的文件或资源。

使用方式

在 POSIX 兼容的操作系统中，close 函数的原型如下：

#include <unistd.h>
int close(int fd);

fd 是要关闭的文件描述符。

功能

释放与文件描述符关联的资源。
如果文件描述符指向的是一个文件，close 将确保所有缓冲的数据被写入磁盘。
如果文件描述符指向的是套接字、管道或终端，close 将断开连接或释放相关资源。

返回值

成功时，返回 0。
失败时，返回 -1 并设置 errno 来指示错误。

注意事项

在程序结束前，应该关闭所有打开的文件描述符，以避免资源泄露。
如果一个进程终止，操作系统会自动关闭所有它打开的文件描述符。
如果文件描述符已经被关闭，再次调用 close 会导致错误。

dup

dup 是一个系统调用，用于复制一个现有的文件描述符到另一个指定的文件描述符。如果目标文件描述符已经打开，dup 会先将其关闭，然后进行复制操作。

在 Linux 中，dup 系统调用用于复制一个现有的文件描述符。当一个文件描述符被复制时，新的文件描述符与旧的文件描述符指向同一个打开的文件描述表项（file description），这意味着它们共享相同的文件偏移量、文件状态标志以及文件访问模式。

以下是 dup 系统调用的详细信息：

【系统调用原型】

在 C 语言中，dup 的原型如下：

int dup(int oldfd);

oldfd：要复制的文件描述符。
返回值：成功时返回新的文件描述符，它是 oldfd 的副本；出错时返回 -1 并设置 errno 来指示错误。
参数 oldfd 是要复制的文件描述符，而返回值是新创建的文件描述符，它是 oldfd 的副本。如果调用成功，返回的文件描述符是当前最低可用数值的文件描述符。如果出错，返回 -1 并设置 errno 来指示错误。

【错误处理】

以下是一些可能发生的错误：

EBADF：oldfd 不是一个有效的文件描述符。
EMFILE：进程已经达到了它可以打开的最大文件描述符数量。
ENFILE：系统范围内打开的文件数量超过了限制。

【testcode】

在这个例子中，我们首先打开一个文件，然后使用 dup 复制它的文件描述符。之后，我们通过两个文件描述符分别写入数据到文件中。最后，我们关闭这两个文件描述符。

请注意，dup 函数不会复制文件描述符的属性，比如非阻塞标志或者执行时关闭标志（close-on-exec）。如果需要复制这些属性，可以使用 dup2 或 dup3 系统调用，它们提供了更多的控制

【注意事项】

dup 不会复制文件描述符的 close-on-exec 标志。如果需要复制这个标志，可以使用 dup2 或 fcntl 系统调用。
当使用 dup 创建新的文件描述符时，系统会自动选择当前进程中最低的未使用的文件描述符编号

dup2

dup2 是一个在 POSIX 系统中定义的函数，用于复制一个现有的文件描述符到另一个指定的文件描述符。如果目标文件描述符已经打开，dup2 会先将其关闭，然后复制源文件描述符。

以下是 dup2 函数的原型：

int dup2(int oldfd, int newfd);

参数说明：

oldfd: 要复制的现有文件描述符。
newfd: 指定的目标文件描述符。如果 newfd 已经打开，它会被关闭，然后 oldfd 的副本会被创建在 newfd 上。

返回值：

成功时，返回新的文件描述符，即 newfd。
失败时，返回 -1，并设置 errno 来指示错误。

下面是 dup2 函数的一些常见用法：

1.重定向标准输出到一个文件：

2.复制一个文件描述符到另一个指定的文件描述符：

3.继承文件描述符：在 fork 之后，子进程可以通过 dup2 继承父进程的文件描述符

在使用 dup2 时，通常需要注意以下几点：

使用 dup2 时，一定要确保处理了可能出现的错误情况，并且正确地关闭了不再需要的文件描述符，以避免资源泄漏。

匿名管道的一个缺点，就是通信的进程，它们的关系一定是父子进程的关系，这就使得它的使用受到了一点的限制，但是我们可以使用命名管道来解决这个问题

如果 oldfd 不是有效的文件描述符，dup2 会失败，并返回 -1。
如果 oldfd 是一个套接字，dup2 可能会复制套接字的状态，包括非阻塞标志和任何挂起的错误。
如果 newfd 大于 oldfd，并且系统中存在介于这两个值之间的文件描述符，那么 dup2 可能会复制这些文件描述符，而不是 oldfd。这种行为在不同的系统上可能不同。为了避免这种情况，通常使用 fcntl 函数的 F_DUPFD 命令。
如果 oldfd 是一个特殊文件描述符（例如套接字或管道），dup2 将复制它的特殊属性。
如果 newfd 已经打开，dup2 将先关闭它，然后再复制 oldfd。
如果 newfd 是一个有效的文件描述符，并且大于等于 RLIMIT_NOFILE 的当前值，dup2 可能会失败。
在多线程程序中，使用 dup2 可能需要同步，因为文件描述符表是进程级的，而不仅仅是线程级的。

2.命名管道

这里将会介绍进程的另一种通信方式——命名管道，来解决不相关进程间的通信问题。

命名管道也被称为FIFO文件，它是一种特殊类型的文件，它在文件系统中以文件名的形式存在，但是它的行为却和之前所讲的没有名字的管道（匿名管道）类似。

由于Linux中所有的事物都可被视为文件，所以对命名管道的使用也就变得与文件操作非常的统一，也使它的使用非常方便，同时我们也可以像平常的文件名一样在命令中使用

原理图如下：

mkfifo

在Linux系统中，mkfifo 是一个用于创建命名管道（也称为 FIFOs）的系统调用。命名管道是一种特殊类型的文件，它允许在进程间进行单向数据传输，而无需它们之间有亲缘关系。以下是 mkfifo 的详细信息：

创建一个FIFO文件，注意是创建一个真实存在于文件系统中的文件，filename指定了文件名，而mode则指定了文件的读写权限

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

参数

pathname: 指定要创建的命名管道的路径。
mode: 指定新命名管道的权限位，它遵循传统的UNIX文件权限位。通常，它是由 umask 值修改后的结果。

返回值

成功时，返回0。
失败时，返回-1，并设置 errno 来指示错误。

使用场景

命名管道通常用于以下情况：

进程间通信（IPC）：当两个无关的进程需要通信时，可以使用命名管道来传递数据。
数据缓冲：命名管道可以用来作为数据缓冲区，允许生产者进程在消费者进程准备好之前写入数据

【testcode】

下面是一个简单的例子，演示如何使用 mkfifo 创建一个命名管道，并使用它进行进程间通信。

fifowrite.c实现:

fiforead.c实现：

运行如下：

如上可以看到，我们用的编译指令是gcc fifowrite.c -o w 生成w可执行文件(也就是写端操作)，同理用gcc fiforead.c -o r 生成r可执行文件(也就是读端操作)；然后先执行w文件，如图1所示，可以看到此进程阻塞，等待对方读段操作响应，接下来执行r文件，此刻读端操作运行后，写段操作接收到这一响应后，立刻写入数据，所以读端操作读取了相应的数据“Hello FIFO, Write data to mkfifo......!!!”并将其放入buf中，最后将其打印显示出来，当然，你若是想要放入其他文件也可以，看你需求如何，整个基本流程如上，两个进程之间通过命名管道进行通信完毕

open

在Linux系统中，open 函数是用于打开或创建文件的系统调用。它通常在程序中通过系统调用或库函数（如 fopen）来使用。open 系统调用可以返回一个文件描述符，该描述符是一个非负整数，用于后续的读写操作。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

pathname：要打开或创建的文件的路径名。
flags：指定文件打开方式的标志，可以是以下几种的组合：
- O_RDONLY：只读方式打开。
- O_WRONLY：只写方式打开。
- O_RDWR：读写方式打开。
- O_CREAT：如果文件不存在，则创建该文件。
- O_APPEND：追加方式写入。
- O_TRUNC：如果文件存在，则清空该文件。
- O_EXCL：与 O_CREAT 一起使用，表示如果文件已存在，则返回错误。
mode：当 flags 包含 O_CREAT 时，指定新创建文件的权限。

【testcode】

在这个示例中，我们首先尝试打开名为 example.txt 的文件，然后读取其内容，并将其打印到控制台

运行：

注意事项

open 系统调用返回的文件描述符是一个整数，它是一个小的非负整数，用于后续的读写操作。
如果 open 调用失败，它会返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。
当打开文件进行写入时，如果文件不存在，则 open 会创建该文件。如果文件已存在，则根据 flags 中的标志决定是清空文件还是追加内容。
mode 参数仅在创建新文件时使用，它指定了文件的权限。这些权限可以使用 umask 值进行修改。

read

在Linux系统中，read 函数是用于从文件描述符中读取数据的系统调用。它通常在程序中通过系统调用或库函数（如 fgets）来使用。read 系统调用可以从文件、管道、套接字等读取数据。

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

fd：要读取的文件的文件描述符。
buf：用于存储读取数据的缓冲区。
count：要读取的最大字节数。

返回值

成功时，read 函数返回实际读取的字节数。
如果到达文件末尾，返回0。
如果出错，返回-1，并设置 errno 以指示错误原因。

注意事项

read 系统调用返回的值表示实际读取的字节数。如果返回值小于 count，可能是因为到达了文件末尾或读取过程中发生了错误。
如果 read 调用失败，它会返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。
如果 count 为0，read 也会返回0，表示没有读取任何数据。
read 系统调用可以用于读取任何类型的文件，包括普通文件、管道、套接字等

【testcode】

查看open函数的testcode便可

close

在Linux系统中，close 函数是用于关闭文件描述符的系统调用。当一个文件描述符不再需要时，应该使用 close 函数来释放它，这样可以避免资源泄露。

#include <unistd.h>

int close(int fd);

fd：要关闭的文件的文件描述符。

返回值

成功时，close 函数返回0。
如果出错，返回-1，并设置 errno 以指示错误原因。

注意事项

close 函数会释放与文件描述符关联的所有资源，包括文件锁和I/O缓冲区。
如果一个文件描述符被多次关闭，close 函数的行为是未定义的，通常会导致程序崩溃。
如果 close 调用失败，它会返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。
如果 close 成功，它返回0，表示文件描述符已被成功关闭

【testcode】

查看open函数的testcode便可