管道（一）

1．  进程间通信概述

一个大型的应用系统，往往需要众多进程协作，进程间通信的重要性就显而易见。在早期，UNIX系统IPC就是进程间通信方式的统称。进程间通信就是可以让多个进程可以互相访问，包括程序运行的实时数据，也包括对方的代码段。

2．  进程间通信的难点

进程运行期间，其地址空间对于其他进程是不可见的（这是传统上的进程概念，IPC共享内存机制打破了这个概念），在系统中他们是相对独立的，并不能互相访问对方。

Linux/UNIX系统提供了一种中间转发的机制，为多个进程建立起互相通信的数据通道。

两个进程通过IPC机制来转发数据。

3．  IPC的多种方式

IPC是进程间通信的统称，包括以下类型：

半双工通道：匿名半双工通道 + FIFO（命名半双工管道） 

全双工通道：匿名全双工 + 命名全双工

System V IPC/ POSIX IPC：消息队列 信号量 共享存储

网络进程间通信：SOCKET STREAMS

4．  管道

管道，是在两个进程之间实现一个数据流通的管道，该管道可以是单向或双向的。优点是简单易用，缺点是功能简单，有很多限制。

（1）       管道的概念

  管道实现数据以数据流的形式在多进程间流动。在系统中相当于文件系统上的一个文件，来缓存所要传输的数据。在某些特性上又不同于文件，比如，当数据读出后，管道中就没有数据了。

  匿名半双工管道在系统中是没有实名的，并不可以在文件系统中以任何方式看到该管道。它只是进程的一种资源，会随着进程的结束而被系统清除。管道通信的使用比较常见，比如grep命令。

#ls | grep tftp

这个命令使用的就是半双工管道，grep命令的输入是ls命令的输出。管道从数据流动方向上又分全双工管道+半双工管道。

（2）       匿名半双工管道

  匿名管道没有名字，对于管道中使用的文件描述符没有路径名，也就是或不存在任何意义上的文件。它们只是在内存中跟某一个索引节点相关联的两个文件描述符。

 匿名半双工管道的特性如下：

 数据只能在一个方向上流动。

 只能在具有公共祖先的进程间通信，即或是父子进程或是兄弟进程间通信

Linux环境下使用pipe函数创建一个半双工管道

#include
int pipe(int fd[2]);

参数fd[2]是一个长度为2的文件描述符数组，fd[0]是读出端，fd[1]是写入端；函数的返回值为0表示成功，-1表示失败。当函数成功返回时，自动维护了一个从fd[1]àfd[0]的数据通道。

示例：

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

int main(void)
{
    int fd[2];
    char str[256];

    if((pipe(fd))<0){
        perror("pipe");
        exit(1);
    }

    write(fd[1],"create pipe successfully !\n",31);

    read(fd[0],str,sizeof(str));
    printf("%s",str);

    printf("pipe file descriptors are %d,%d\n",fd[0],fd[1]);

    close(fd[0]);
    close(fd[1]);

    return 0;

}

（3）       匿名半双工通道的读写操作

  使用read和write函数对管道进行读写操作。当对一个读端已经关闭的管道进行写操作时，会产生SIGPIPE，说明管道的读端已经关闭，并且write操作返回-1，errno的值为EPIPE，对于SIGPIPE信号可以进行捕捉处理。如果写入进程不能捕捉或者忽略SIGPIPE信号，则写入进程会中断。

 如果要建立一个父进程到子进程的数据通道，可以先调用pipe函数紧接着调用fork函数，由于子进程自动继承父进程的数据段，则父子进程同时拥有管道的操作权，此时管道的方向取决于用户怎么维护管道。

当用户想要一个父进程到子进程的数据通道时，可以在父进程中关闭管道的读出端，在子进程中关闭管道的输入端；相反，当维护子进程到父进程的数据通道时，在父进程中关闭输出，在子进程中关闭读入。使用pipe()和fork()组合，可以构造出所有的父进程与子进程或子进程到兄弟进程的管道。

示例1：父子进程间

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

#define BUFS PIPE_BUF //PIPE_BUF,管道默认一次性读写的数据长度

int main(void)
{
    int fd[2];
    char str[256];
    pid_t pid;
    int len;


    if((pipe(fd))<0){
        perror("pipe");
        exit(1);
    }

    if((pid=fork())<0)
    {
        perror("failed to  create pipe\n");
        exit(1);
    }else  if((pid=fork())>0)
    {  //parent process
        close(fd[0]);
        write(fd[1],"hello pipe\n",13);
        exit(0);
    }else{//child process
        close(fd[1]);
        len = read(fd[0],buf,BUFS);

        if(len<0)
        {
            perror("read pipe fail\n");
            exit(0);
        }
        else
            write(STDOUT_FILENO,buf,len);//将管道中的输出到标准输出

        exit(0);
    }


}

示例2：兄弟进程间

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

#define BUFS PIPE_BUF //PIPE_BUF管道默认一次性读写的数据长度

int main(void)
{
    int fd[2];
    char str[256];
    pid_t pid;
    int len;


    if((pipe(fd))<0){
        perror("pipe");
        exit(1);
    }

    if((pid=fork())<0)
    {
        perror("failed to  create pipe\n");
        exit(1);
    }else  if((pid=fork())==0)
    {
        close(fd[0]);
        write(fd[1],"hello my brother\n");
        exit(0);
    }

    if((pid=fork())<0)
    {
        perror("failed to  create pipe\n");
        exit(1);
    }else
     if((pid=fork())>0)
    { //parent close fd[0],fd[1],放弃管道操作权，不对管道进行任何操作。
        close(fd[0]);
        close(fd[1]);
        exit(0);
    }else
    {//brother process
        close(fd[1]);//放弃写操作权
        len = read(fd[0],buf,BUFS);

        if(len<0)
        {
            perror("read pipe fail\n");
            exit(0);
        }
        else
            write(STDOUT_FILENO,buf,len);//将管道中的输出到标准输出

        exit(0);
    }
}