Linux 上实现双向进程间通信管道

本文阐述了一个使用 socketpair 系统调用在 Linux 上实现双向进程通讯管道的方法，并提供了一个实现。

Linux 提供了 popen 和 pclose 函数 (1)，用于创建和关闭管道与另外一个进程进行通信。其接口如下：

FILE *popen(const char *command， const char *mode);
int pclose(FILE *stream);

遗憾的是，popen 创建的管道只能是单向的 -- mode 只能是 "r" 或 "w" 而不能是某种组合--用户只能选择要么往里写，要么从中读，而不能同时在一个管道中进行读写。实际应用中，经常会有同时进行读写的要求，比如，我们可能希望把文本数据送往sort工具排序后再取回结果。此时popen就无法用上了。我们需要寻找其它的解决方案。

有一种解决方案是使用 pipe 函数 (2)创建两个单向管道。没有错误检测的代码示意如下：

int pipe_in[2], pipe_out[2];
pid_t pid;
pipe(&pipe_in);	// 创建父进程中用于读取数据的管道
pipe(&pipe_out);	// 创建父进程中用于写入数据的管道
if ( (pid = fork()) == 0) {	// 子进程
    close(pipe_in[0]);	// 关闭父进程的读管道的子进程读端
    close(pipe_out[1]);	// 关闭父进程的写管道的子进程写端
    dup2(pipe_in[1], STDOUT_FILENO);	// 复制父进程的读管道到子进程的标准输出
    dup2(pipe_out[0], STDIN_FILENO);	// 复制父进程的写管道到子进程的标准输入
    close(pipe_in[1]);	// 关闭已复制的读管道
    close(pipe_out[0]);	// 关闭已复制的写管道
    /* 使用exec执行命令 */
} else {	// 父进程
    close(pipe_in[1]);	// 关闭读管道的写端
    close(pipe_out[0]);	// 关闭写管道的读端
    /* 现在可向pipe_out[1]中写数据，并从pipe_in[0]中读结果 */
    close(pipe_out[1]);	// 关闭写管道
    /* 读取pipe_in[0]中的剩余数据 */
    close(pipe_in[0]);	// 关闭读管道
    /* 使用wait系列函数等待子进程退出并取得退出代码 */
}

当然，这样的代码的可读性（特别是加上错误处理代码之后）比较差，也不容易封装成类似于popen/pclose的函数，方便高层代码使用。究其原因，是pipe函数返回的一对文件描述符只能从第一个中读、第二个中写（至少对于Linux是如此）。为了同时读写，就只能采取这么累赘的两个pipe调用、两个文件描述符的形式了。

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使用pipe就只能如此了。不过，Linux实现了一个源自BSD的socketpair调用 (3)，可以实现上述在同一个文件描述符中进行读写的功能（该调用目前也是POSIX规范的一部分 (4)）。该系统调用能创建一对已连接的（UNIX族）无名socket。在Linux中，完全可以把这一对socket当成pipe返回的文件描述符一样使用，唯一的区别就是这一对文件描述符中的任何一个都可读和可写。

这似乎可以是一个用来实现进程间通信管道的好方法。不过，要注意的是，为了解决我前面的提出的使用sort的应用问题，我们需要关闭子进程的标准输入通知子进程数据已经发送完毕，而后从子进程的标准输出中读取数据直到遇到EOF。使用两个单向管道的话每个管道可以单独关闭，因而不存在任何问题；而在使用双向管道时，如果不关闭管道就无法通知对端数据已经发送完毕，但关闭了管道又无法从中读取结果数据。——这一问题不解决的话，使用socketpair的设想就变得毫无意义。

令人高兴的是，shutdown调用 (5)可解决此问题。毕竟socketpair产生的文件描述符是一对socket，socket上的标准操作都可以使用，其中也包括shutdown。——利用shutdown，可以实现一个半关闭操作，通知对端本进程不再发送数据，同时仍可以利用该文件描述符接收来自对端的数据。没有错误检测的代码示意如下：

int fd[2];
pid_t pid;
socketpair(AF_UNIX, SOCKET_STREAM, 0, fd);	// 创建管道
if ( (pid = fork()) == 0) {	// 子进程
    close(fd[0]);	// 关闭管道的父进程端
    dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);	// 复制管道的子进程端到标准输出
    dup2(fd[1], STDIN_FILENO);	// 复制管道的子进程端到标准输入
    close(fd[1]);	// 关闭已复制的读管道
    /* 使用exec执行命令 */
} else {	// 父进程
    close(fd[1]);	// 关闭管道的子进程端
    /* 现在可在fd[0]中读写数据 */
    shutdown(fd[0], SHUT_WR);	// 通知对端数据发送完毕
    /* 读取剩余数据 */
    close(fd[0]);	// 关闭管道
    /* 使用wait系列函数等待子进程退出并取得退出代码 */
}

很清楚，这比使用两个单向管道的方案要简洁不少。我将在此基础上作进一步的封装和改进。

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直接使用上面的方法，无论怎么看，至少也是丑陋和不方便的。程序的维护者想看到的是程序的逻辑，而不是完成一件任务的各种各样的繁琐细节。我们需要一个好的封装。

封装可以使用C或者C++。此处，我按照UNIX的传统，提供一个类似于POSIX标准中popen/pclose函数调用的C封装，以保证最大程度的可用性。接口如下：

FILE *dpopen(const char *command);
int dpclose(FILE *stream);
int dphalfclose(FILE *stream);

关于接口，以下几点需要注意一下：

• 与pipe函数类似，dpopen返回的是文件结构的指针，而不是文件描述符。这意味着，我们可以直接使用fprintf之类的函数，文件缓冲区会缓存写入管道的数据（除非使用setbuf函数关闭文件缓冲区），要保证数据确实写入到管道中需要使用fflush函数。
• 由于dpopen返回的是可读写的管道，所以popen的第二个表示读/写的参数不再需要。
• 在双向管道中我们需要通知对端写数据已经结束，此项操作由dphalfclose函数来完成。

具体的实现请直接查看程序源代码，其中有详细的注释和doxygen文档注释 (6)。我只略作几点说明：

• 本实现使用了一个链表来记录所有dpopen打开的文件指针和子进程ID的对应关系，因此，在同时用dpopen打开的管道的多的时候，dpclose（需要搜索链表）的速度会稍慢一点。我认为在通常使用过程中这不会产生什么问题。如果在某些特殊情况下这会是一个问题的话，可考虑更改dpopen的返回值类型和dpclose的传入参数类型（不太方便使用，但实现简单），或者使用哈希表/平衡树来代替目前使用的链表以加速查找（接口不变，但实现较复杂）。
• 当编译时在gcc中使用了"-pthread"命令行参数时，本实现会启用POSIX线程支持，使用互斥量保护对链表的访问。因此本实现可以安全地用于POSIX多线程环境之中。
• 与popen类似 (7)，dpopen会在fork产生的子进程中关闭以前用dpopen打开的管道。
• 如果传给dpclose的参数不是以前用dpopen返回的非NULL值，当前实现除返回-1表示错误外，还会把errno设为EBADF。对于pclose而言，这种情况在POSIX规范中被视为不确定（unspecified）行为 (8)。
• 实现中没有使用任何平台相关特性，以方便移植到其它POSIX平台上。

下面的代码展示了一个简单例子，将多行文本送到sort中，然后取回结果、显示出来：

#include 
#include 
#include "dpopen.h"
#define MAXLINE 80
int main()
{
    char    line[MAXLINE];
    FILE    *fp;
    fp = dpopen("sort");
    if (fp == NULL) {
        perror("dpopen error");
        exit(1);
    }
    fprintf(fp, "orange\n");
    fprintf(fp, "apple\n");
    fprintf(fp, "pear\n");
    if (dphalfclose(fp) < 0) {
        perror("dphalfclose error");
        exit(1);
    }
    for (;;) {
        if (fgets(line, MAXLINE, fp) == NULL)
            break;
        fputs(line, stdout);
    }
    dpclose(fp);
    return 0;
}

输出结果为：

apple
orange
pear

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本文阐述了一个使用socketpair系统调用在Linux上实现双向进程通讯管道的方法，并提供了一个实现。该实现提供的接口与POSIX规范中的popen/pclose函数较为接近，因而非常易于使用。该实现没有使用平台相关的特性，因而可以不加修改或只进行少量修改即可移植到支持socketpair调用的POSIX系统中去。

本文源码下载： dpopen.zip

1. 相应的man (3)页。在线查看：
2. 相应的man (2)页。在线查看：
3. 相应的man (2)页。在线查看：
4. POSIX规范：
5. 相应的man (2)页。在线查看：
6. Doxygen主页：
7. POSIX规范：
8. POSIX规范：