Linux 练习六（IPC 管道）

川野先生

已于 2023-03-08 23:24:28 修改

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分类专栏： Linux C 文章标签： linux 服务器 ubuntu c语言

于 2023-03-07 21:14:19 首次发布

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1 标准管道流
2 无名管道（PIPE）
3 命名管道（FIFO）

使用环境：Ubuntu18.04
使用工具：VMWare workstations ，xshell
作者在学习Linux的过程中对常用的命令进行记录，通过思维导图的方式梳理知识点，并且通过xshell连接vmware中ubuntu虚拟机进行操作，并将练习的截图注解，每句话对应相应的命令，读者可以无障碍跟练。第六次练习的重点在于Linux的管道，这次是进程间的管道通信不同于练习四中介绍的管道文件。

1 标准管道流

和文件操作的io流一样，管道也支持文件流模式。通过打开和关闭管道流的函数是popen和pclose。

#include <stdio.h>
FILE* popen(const char* command, const char* open_ mode);
int pclose(FILE* fp);

函数popen：允许一个程序将另一个程序作为新的进程启动，并可以传递数据给它或者通过它接收数据。command字符串就是要运行的程序名。open_mode必须是“r”或者“w”，如果是“r“被调用程序的输出就可以被调用程序使用，调用程序使用返回的FILE* 文件流指针，就可以通过调用stdio函数库中的fread来读取被调用程序的输出。如果是“w”，则可以调用fwrite向被调用程序发送数据，而被调用程序可以在自己的标准输入上读取这些数据。
函数pclose：关闭相关联的文件流。

//读取当前目录下file的内容
#include<stdio.h>
int main()
{
	FILE* fp = open("./file","r");
	char buf[128] = {0};
	while(fgets(buf,sizeof(buf),fp)){
		puts(buf);
	}
	pclose(fp);
	return 0;
}

//写一串字符串到标准管道流，统计buf单词数量（被调用程序必须阻塞等待标准输入）
#include<stdio.h>
int main()
{
	char buf[128] = {"apple orign banana man fale"};
	FILE* fp = popen("wc -w","w");//wc -w功能是统计字符串中单词的个数
	fwrite(buf,sizeof(buf),1,fp);//向被调用的wc -w命令所启动的程序发送buf内容
	pclose(fp);
	return 0;
}

2 无名管道（PIPE）

管道通信是linux进程通信的一种方式，例如可以使用ps -elf|grep ntp查询和ntp相关的管道
无名管道的特点：

只能在亲缘关系进程间通信（父子进程或者兄弟进程）
半双工通信
管道是特殊文件可以使用read、write，只能存在内存中

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

管道在程序中使用一对文件描述符表示，其中一个文件描述符有可读属性，一个有可写属性。fds[0]是可读，fds[1]是可写。函数pipe用于创建一个无名管道，如果成功，fds[0]中存放文件描述符，fds[1]存放可写文件描述符，并且函数返回0，否则返回-1。
通过调用pipe获取这对打开的文件描述符后，一个进程就可以从fds[0]中读数据，而另一个进程就可以向fds[1]中写数据。两进程必须有几成关系，才能继承这对打开的文件描述符。
管道文件不是真正的物理文件，存活在内存中不持久。当两进程都终止后，管道就自动消失。

在这里插入图片描述

//创建父子进程，创建无名管道，父进程写数据，子进程读数据
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h> 
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{	
	int fds[2];		//设置读和写两个文件描述符
	pipe(fds);		//使用pipe函数创建进程，并且将两个文件描述符传入参数
	printf("fds[0] = %d,fds[1] = %d\n",fds[0],fds[1]);
	char buf[32] = {'\0'};
	if(fork() == 0){ 		//表示子进程
		close(fds[1]);	//子进程关闭写操作
		sleep(2); 		//确保父进程有时间关闭读操作，并且向管道中写内容
		if(read(fds[0],buf,sizeof(buf))){	//将管道中的内容读到buf缓冲区中
			puts(buf);
			close(fds[0]);	//关闭子进程的读端
			exit(0);  		//结束子进程
		}
	}
	else{		//表示父进程
		close(fds[0]);				//父进程关闭读
		write(fds[1],"hello",6);	//从fds[1]向管道中写入hello
		waitpid(-1,NULL,0);		//等待子进程关闭
		//wait(NULL);			//和waitpid同等效果
		//write(fds[1],"world",6);	//此时会出现断开的管道因为子进程的读已经关闭了
		close(fds[1]);				//父进程关闭写
		exit(0);
	}
	
	return 0;
}

管道两端的关闭是有先后顺序的，如果先关闭写端从另一端读取数据时，read函数会返回0，表示管道已经关闭。但是如果先关闭读端从另一端写入数据时，则会将写数据的进程接收到 SIGPIPE 信号，如果写的进程不对此信号处理，导致写进程终止。如果写进程处理了此信号，则写数据的write函数返回一个负值，表示管道已经关闭。看如下代码：

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

int main()
{
	int fds[2];
	pipe(fds);
	//注释掉这部分将导致写进程被信号SIGPIPE终止，目的是屏蔽SIGPIPE信号，使进程不被终止
	sigset_t setSig; 			//设置信号集
	sigemptyset(&setSig);		//将信号集清空，初始化信号集
	sigaddset(&setSig,SIGPIPE);	//将SIGPIPE信号添加到信号集
	sigprocmask(SIG_BLOCK,&setSig,NULL);	//将setSig信号集中的信号加入信号掩码中，作为新的信号屏蔽字
	
	char szBuf[10] = {0};
	if(fork() == 0){  		//子进程
		close(fds[1]);		//子进程关闭写
		sleep(2);			//确保父关闭读的时间，并且写入管道中
		if(read(fds[0], szBuf, sizeof(szBuf)))	//读取管道中的内容
			puts(szBuf);
		close(fds[0]);		//子进程关闭读
	}
	else{
		close(fds[0]);//父进程关闭读
		write(fds[1], "hello", 6);	//父进程通过fds[1]向管道中写入hello
		wait(NULL);			//等待子进程结束
		write(fds[1], "world", 6);	//子进程已经关闭了，父进程读不到东西了
		close(fds[1]);				//父进程关闭读
	}
	return 0;
}

3 命名管道（FIFO）

上一节讲了无名管道只能在亲缘关系的进程中通信，很大程度上限制了管道的使用。命名管道可以突破这个限制，通过指定管道文件的路径实现不相关进程之间的通信。实际上，使用管道通信的操作，在Linux 练习四（目录操作函数 + 文件操作函数）中就有提及，还实现了进程通信的功能。

3.1 创建删除管道文件

创建FIFO文件的方式和创建普通文件的方式一样，其函数名和 Linux下创建FIFO的命令名一样。
删除FIFO文件和 Linux下命令也一样。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);	//创建管道文件
int unlink(const char *pathname）;				//删除管道文件

参数 pathname 为要创建的 FIFO 文件的全路径名；
参数 mode为文件的访问权限
如果创建成功，则返回 0，否则-1。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(int argc,char *argv[])//演示通过命令行传递参数
{
	if(argc != 2){	//检查参数数量
		puts("Usage: MkFifo.exe {filename}");
		return -1;
	}
	if(mkfifo(argv[1], 0666) == -1){ //创建一个管道文件
		perror("mkfifo fail");
		return -2;
	}
	//删除管道文件
	unlink(argv[1]);
	return 0;
}

还可以使用命令创建和删除FIFO文件使用两个终端完成，必须一边读一边写，否则会卡住。

使用命令mkfifo创建管道文件，不能重复创建同一个管道文件
可以使用unlink删除管道文件
通过cat命令和echo命令和输入输出指向>和<来读写管道文件的案例，注意不要使用vim打开管道文件。

3.2 打开和关闭FIFO文件

对 FIFO 类型的文件的打开/关闭跟普通文件一样，都是使用 open 和 close 函数。如果打开时使用O_WRONLY 选项，则打开 FIFO 的写入端，如果使用 O_RDONLY 选项，则打开FIFO 的读取端，写入端和读取端都可以被几个进程同时打开。在Linux 练习四（目录操作函数 + 文件操作函数）中2.10 管道中有提及。
如果以读取方式打开 FIFO，并且还没有其它进程以写入方式打开 FIFO，open 函数将被阻塞；同样，如果以写入方式打开 FIFO，并且还没其它进程以读取方式 FIFO，open 函数也将被阻塞。
与 PIPE 相同，关闭 FIFO 时，如果先关读取端，将导致继续往 FIFO 中写数据的进程接收 SIGPIPE 的信号

3.3 管道案例：基于管道的客服端服务器程序

服务器端：
维护服务器管道，接受来自客户端发来的字符串，将小写字母转换为大写字母，然后通过每个客户端维护的管道发给客户端。

//服务器端代码
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<ctype.h>
//定义客户端数据结构体
typedef struct tagmag
{
	int client_pid;
	char my_data[512];
}MSG;

int main()
{
	int server_fifo_fd,client_fifo_fd;	//定义客户端管道描述符和用户端管道描述符
	char client_fifo[256];				//设置客户端缓冲区
	MSG my_msg;		
	char* pstr;
	memset(&my_msg,0,sizeof(MSG));		//清空my_msg结构体
	mkfifo("SERVER_FIFO_NAME",0777);			//新建一个管道文件，权限是0777
	server_fifo_fd = open("./SERVER_FIFO_NAME",O_RDONLY);	//以只读的方式打开管道文件
	if(server_fifo_fd == -1){	//打开失败的处理
		perror("server_fifo_fd");
		exit(-1);
	}
	int iret;
	//读取管道文件不为空的情况,将管道内容读到结构体中，如果read读不到内容，会在这里阻塞
	while((iret = read(server_fifo_fd,&my_msg,sizeof(MSG))>0)){ 
		pstr = my_msg.my_data;		
		printf("%s\n",my_msg.my_data);		//打印客户端数据
		while(*pstr!='\0'){					//将所有字符转为大写字符
			*pstr = toupper(*pstr);
			pstr++;	
		}
		memset(client_fifo,0,256);	//清空缓冲区
		sprintf(client_fifo,"CLIENT_FIFO_%d",my_msg.client_pid);//客户端pid格式化写入缓冲区中
		client_fifo_fd = open(client_fifo,O_WRONLY);//客户端以只写的方式打开缓冲区中存放的客户端管道名
		if(client_fifo_fd == -1){
			perror("client_fifo_fd");
			exit(-1);
		}
		write(client_fifo_fd,&my_msg,sizeof(MSG)); //将结构体写入管道内容
		printf("%s\n",my_msg.my_data);
		printf("OVER!\n");
		close(client_fifo_fd);
	}
	return 0;
}

客户端：
想服务器端发送数据，然后从自己的客户端管道中接受服务器返回的数据。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
//定义客户端数据结构体
typedef struct tagmag
{
	int client_pid;
	char my_data[512];
}MSG;

int main()
{
	int server_fifo_fd,client_fifo_fd;
	char client_fifo[256] = {0};
	sprintf(client_fifo,"CLIENT_FIFO_%d",getpid());//将客户端id写入client_fifo字符串中
	MSG my_msg;
	memset(&my_msg,0,sizeof(MSG));	//清空结构体
	my_msg.client_pid = getpid();	//获取客户端的进程id
	server_fifo_fd = open("./SERVER_FIFO_NAME",O_WRONLY);	//以只写的方式打开服务端管道文件,并获取文件描述符
	mkfifo(client_fifo,0777); //以client_fifo的内容，创建属于该进程的管道文件
	while(1){
		int n = read(STDIN_FILENO,my_msg.my_data,512);//从标准输入读入字符串到my_data
		my_msg.my_data[n] = '\0';
		write(server_fifo_fd,&my_msg,sizeof(MSG));//将结构体内容写入服务器管道文件中
		client_fifo_fd = open(client_fifo,O_RDONLY);//以只读的方式打开客户端管道文件，并且获取文件描述符
		n = read(client_fifo_fd,&my_msg,sizeof(MSG));//将结构体读入客户端管道文件中
		my_msg.my_data[n] = 0;	
		write(STDOUT_FILENO,my_msg.my_data,strlen(my_msg.my_data));//将my_data内容写入标准输入输出中
		close(client_fifo_fd);//关闭客户端
	}
	unlink(client_fifo);//删除客户端管道文件
	return 0;
}