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进程间通信--管道

分类： LINUX

2013-07-06 14:42:39

原文地址：进程间通信--管道 作者：草根老师

   前面我们学习了一下进程，我们知道多，进程间的地址空间相对独立。进程与进程间不能像线程间通过全局变量通信。 如果想进程间通信，就需要其他机制。
    
    常用的进程间通信方式有这几种

A.传统的进程间通信方式
无名管道(pipe)、有名管道(fifo)和信号(signal)

B.System v IPC对象
共享内存(share memory)、消息队列(message queue)和信号灯(semaphore)

C.BSD
套接字(socket)

一、无名管道(pipe)

1.1管道的介绍

A.管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道

B.只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程);

C.单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。

D.数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

1.2管道的创建



解释如下 :



从以上我们可以知道:

管道是基于文件描述符的通信方式。当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符fd[0]和fd[1]。其中fd[0]固定用于读管道，而fd[1]固定用于写管道,一般文件I/O的函数都可以用来操作管道(lseek除外)。



我们来测试一下管道的大小:

案例一、



单独创建一个无名管道，并没有实际的意义。我们一般是在一个进程在由pipe()创建管道后，一般再由fork一个子进程，然后通过管道实现父子进程间的通信(因此也不难推出，只要两个进程中存在亲缘关系,这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式来进行通信）。

1.3无名管道的读写规则探究

A.从管道中读取数据

<1>写端不存在时,此时则认为已经读到了数据的末尾，读函数返回的读出字节数为0；


  1. #include <stdio.h>
  2. #include <unistd.h>
  3. #include <stdlib.h>

  5. int main()
  6. {
  7.     int n;
  8.     int fd[2];
  9.     int count = 0;
  10.     char buf[100] = {0};

  12.     if(pipe(fd) < 0)
  13.     {
  14.         perror("Fail to create pipe");
  15.         exit(EXIT_FAILURE);
  16.     }
  17.     
  18.     close(fd[1]);
  19.     
  20.     if((n = read(fd[0],buf,sizeof(buf))) < 0)
  21.     {
  22.         perror("Fail to read pipe");
  23.         exit(EXIT_FAILURE);
  24.     }

  26.     printf("Rread %d bytes : %s.\n",n,buf);

  28.     return 0;
  29. }

运行结果:



<2>写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF(ubuntu操作系统为65536)，则返回管道中现有的数据字节数，如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF，则放回管道中现有数据字节数（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数(此时，管道中数据量不小于请求的数据量)

案例二、父进程向管道中写数据，子进程从管道中读取数据


点击(此处)折叠或打开

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <errno.h>
  4. #include <string.h>

  6. #define N 10
  7. #define MAX 100

  9. int child_read_pipe(int fd)
  10. {
  11.     char buf[N];
  12.     int n = 0;

  14.     while(1)
  15.     {
  16.         n = read(fd,buf,sizeof(buf));
  17.         buf[n] = '\0';

  19.         printf("Read %d bytes : %s.\n",n,buf);

  21.         if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
  22.             break;
  23.     }

  25.     return 0;
  26. }

  28. int father_write_pipe(int fd)
  29. {
  30.     char buf[MAX] = {0};
  31.     
  32.     while(1)
  33.     {
  34.         printf(">");
  35.         fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
  36.         buf[strlen(buf)-1] = '\0';
  37.         write(fd,buf,strlen(buf));
  38.         usleep(500);
  39.         if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
  40.             break;
  41.     }

  43.     return 0;
  44. }

  46. int main()
  47. {
  48.     int pid;
  49.     int fd[2];

  51.     if(pipe(fd) < 0)
  52.     {
  53.         perror("Fail to pipe");
  54.         exit(EXIT_FAILURE);
  55.     }

  57.     if((pid = fork()) < 0)
  58.     {
  59.         perror("Fail to fork");
  60.         exit(EXIT_FAILURE);

  62.     }else if(pid == 0){

  64.         close(fd[1]);
  65.         child_read_pipe(fd[0]);

  67.     }else{
  68.         
  69.         close(fd[0]);
  70.         father_write_pipe(fd[1]);
  71.     }
  72.     
  73.     exit(EXIT_SUCCESS);
  74. }

运行结果:



从以上验证我们可以看到：
<1>当写端存在时，管道中没有数据时，读取管道时将阻塞
<2>当读端请求读取的数据大于管道中的数据时，此时读取管道中实际大小的数据
<3>当读端请求读取的数据小于管道中的数据时，此时放回请求读取的大小数据

B.向管道中写入数据:

向管道中写入数据时，linux将不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。当管道满时，读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。

注意：只有管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIGPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略(默认动作则是使应用程序终止)。


  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <errno.h>
  4. #include <string.h>

  6. int main()
  7. {
  8.     int pid;
  9.     int n;
  10.     int fd[2];
  11.     char buf[1000 * 6] = {0};

  13.     if(pipe(fd) < 0)
  14.     {
  15.         perror("Fail to pipe");
  16.         exit(EXIT_FAILURE);
  17.     }

  19.     if((pid = fork()) < 0)
  20.     {
  21.         perror("Fail to fork");
  22.         exit(EXIT_FAILURE);

  24.     }else if(pid == 0){
  25.         
  26.         close(fd[1]);
  27.         sleep(5);
  28.         close(fd[0]);
  29.         printf("Read port close.\n");
  30.         sleep(3);

  32.     }else{

  34.         close(fd[0]);
  35.         
  36.         while(1)
  37.         {
  38.             n = write(fd[1],buf,sizeof(buf));
  39.             printf("Write %d bytes to pipe.\n",n);
  40.         }
  41.     
  42.     }

  44.     exit(EXIT_SUCCESS);
  45. }

运行结果:



探究发现，当管道数据满时，此时再向管道写数据，写端将阻塞。当读端不存在时，写端写数据，内核将向其发送SIGPIPE信号，默认是终止进程。

案例3：父进程读取文件的内容，写到无名管道，子进程从管道中读取内容写到另一个文件。
//思考：父进程什么时候结束，子进程什么时候结束?


点击(此处)折叠或打开

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <string.h>
  4. #include <errno.h>
  5. #include <sys/stat.h>
  6. #include <sys/types.h>
  7. #include <fcntl.h>

  9. #define MAX 100

  11. int child_work(int pfd,char *fname)
  12. {
  13.     int n,fd;
  14.     char buf[MAX];

  16.     if((fd = open(fname,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666)) < 0)
  17.     {
  18.         fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",fname,strerror(errno));
  19.         return -1;
  20.     }

  22.     while( n = read(pfd,buf,sizeof(buf)) )
  23.     {
  24.         write(fd,buf,n);
  25.     }
  26.     
  27.     close(pfd);

  29.     return 0;
  30. }

  32. int father_work(int pfd,char *fname)
  33. {
  34.     int fd,n;
  35.     char buf[MAX];

  37.     if((fd = open(fname,O_RDONLY)) < 0)
  38.     {
  39.         fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",fname,strerror(errno));
  40.         return -1;
  41.     }

  43.     while(n = read(fd,buf,sizeof(buf)))
  44.     {
  45.         write(pfd,buf,n);
  46.     }
  47.     
  48.     close(pfd);

  50.     return 0;
  51. }

  53. int main(int argc,char *argv[])
  54. {
  55.     int pid;
  56.     int fd[2];

  58.     if(argc < 3)
  59.     {
  60.         fprintf(stderr,"usage %s argv[1] argv[2].\n",argv[0]);
  61.         exit(EXIT_FAILURE);
  62.     }

  64.     if(pipe(fd) < 0)
  65.     {
  66.         perror("Fail to pipe");
  67.         exit(EXIT_FAILURE);
  68.     }

  70.     if((pid = fork()) < 0)
  71.     {
  72.         perror("Fail to fork");
  73.         exit(EXIT_FAILURE);
  74.     
  75.     }else if(pid == 0){
  76.         
  77.         close(fd[1]);
  78.         child_work(fd[0],argv[2]);
  79.     
  80.     }else{
  81.     
  82.         close(fd[0]);
  83.         father_work(fd[1],argv[1]);
  84.         wait(NULL);
  85.     }

  87.     exit(EXIT_SUCCESS);
  88. }

二、有名管道

1.1有名管道的介绍

无名管道，由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信.。为了克服这个缺点，提出了有名管道(FIFO)。

FIFO不同于无名管道之处在于它提供了一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中，这样，即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信，因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值的注意的是，FIFO严格遵循先进先出(first in first out),对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。

注意：有名管道的名字存在于文件系统中，内容存放在内存中。

1.2有名管道的创建



该函数的第一个参数是一个普通的路劲名，也就是创建后FIFO的名字。第二个参数与打开普通文件的open()函数中的mode参数相同。如果mkfifo的一个参数是一个已经存在路劲名时，会返回EEXIST错误，所以一般典型的调用代码首先会检查是否返回该错误，如果确实返回该错误，那么只要调用打开FIFO的函数就可以了。

1.3有名管道的打开规则

有名管道比无名管道多了一个打开操作：open

FIFO的打开规则:

如果当前打开操作时为读而打开FIFO时，若已经有相应进程为写而打开该FIFO，则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞到有相应进程为写而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志)；或者，成功返回(当前打开操作没有设置阻塞标志)。

如果当前打开操作时为写而打开FIFO时，如果已经有相应进程为读而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志)；或者，返回ENIO错误(当期打开操作没有设置阻塞标志)。


案例:

A.open for  write


点击(此处)折叠或打开

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <string.h>
  4. #include <errno.h>
  5. #include <sys/types.h>
  6. #include <sys/stat.h>
  7. #include <fcntl.h>

  9. int main(int argc,char *argv[])
  10. {
  11.     int fd;

  13.     if(argc < 2)
  14.     {
  15.         fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]);
  16.         exit(EXIT_FAILURE);
  17.     }
  18.     
  19.     if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
  20.     {
  21.         fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
  22.         exit(EXIT_FAILURE);
  23.     }

  25.     if((fd = open(argv[1],O_WRONLY)) < 0)
  26.     {
  27.         fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
  28.         exit(EXIT_FAILURE);
  29.     }

  31.     printf("open for write success.\n");
  32.     
  33.     return 0;
  34. }

B.open for read


点击(此处)折叠或打开

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <string.h>
  4. #include <errno.h>
  5. #include <sys/types.h>
  6. #include <sys/stat.h>
  7. #include <fcntl.h>

  9. int main(int argc,char *argv[])
  10. {
  11.     int fd;

  13.     if(argc < 2)
  14.     {
  15.         fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]);
  16.         exit(EXIT_FAILURE);
  17.     }
  18.     
  19.     if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
  20.     {
  21.         fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
  22.         exit(EXIT_FAILURE);
  23.     }

  25.     if((fd = open(argv[1],O_RDONLY)) < 0)
  26.     {
  27.         fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
  28.         exit(EXIT_FAILURE);
  29.     }

  31.     printf("open for read success.\n");
  32.     
  33.     return 0;
  34. }

探究发现，如果open时没有使用O_NONBLOCK参数，我们发现不论读端还是写端先打开，先打开者都会阻塞，一直阻塞到另一端打开。

读者自己可以探究，如果open时使用了O_NONBLOCK参数，此时打开FIFO 又会是什么情况?

1.4有名管道的读写规则

A.从FIFO中读取数据

约定：如果一个进程为了从FIFO中读取数据而以阻塞的方式打开FIFO， 则称内核为该进程的读操作设置了阻塞标志

<1>如果有进程为写而打开FIFO，且当前FIFO内没有数据，则对于设置了阻塞标志的读操作来说，将一直阻塞。对于没有设置阻塞标志读操作来说返回-1,当前errno值为EAGAIN,提醒以后再试。

<2>对于设置阻塞标志的读操作说，造成阻塞的原因有两种:当前FIFO内有数据，但有其他进程正在读这些数据；另外就是FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入,不论写入数据量的大小，也不论读操作请求多少数据量。

<3>如果没有进程写打开FIFO,则设置了阻塞标志的读操作会阻塞

<4>如果写端关闭，管道中有数据读取管道中的数据，如果管道中没有数据读端将不会继续阻塞，此时返回0。

注意：如果FIFO中有数据，则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞，此时，读操作会返回FIFO中现有的数据量。

B.向FIFO中写入数据

约定：如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的写操作设置了阻塞标志。

对于设置了阻塞标志的写操作:

<1>当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。如果此时管道空闲缓冲区不足以容纳要写入的字节数，则进入睡眠，直到当缓冲区中能够容纳写入的字节数时，才开始进行一次性写操作。

<2>当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，Linux将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据，写操作在写完所有请求写的数据后返回。

对于没有设置阻塞标志的写操作:

<1>当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。在写满所有FIFO空闲缓冲区后，写操作返回。

<2>当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数，写完后成功返回；如果当前FIFO空闲缓冲区不能够容纳请求写入的字节数，则返回EAGAIN错误，提醒以后再写。

注意：只有读端存在，写端才有意义。如果读端不在，写端向FIFO写数据，内核将向对应的进程发送SIGPIPE信号（默认终止进程）；

案例一、

write to FIFO


  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <string.h>
  4. #include <errno.h>
  5. #include <sys/types.h>
  6. #include <sys/stat.h>
  7. #include <fcntl.h>

  9. #define MAX 655360

  11. int main(int argc,char *argv[])
  12. {
  13.     int n,fd;
  14.     char buf[MAX];

  16.     if(argc < 2)
  17.     {
  18.         fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]);
  19.         exit(EXIT_FAILURE);
  20.     }
  21.     
  22.     if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
  23.     {
  24.         fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
  25.         exit(EXIT_FAILURE);
  26.     }

  28.     if((fd = open(argv[1],O_WRONLY )) < 0)
  29.     {
  30.         fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
  31.         exit(EXIT_FAILURE);
  32.     }

  34.     printf("open for write success.\n");

  36.     while(1)
  37.     {
  38.         printf(">");
  39.         scanf("%d",&n);

  41.         n = write(fd,buf,n);
  42.         printf("write %d bytes.\n",n);
  43.     }
  44.     
  45.     exit(EXIT_SUCCESS);
  46. }

read from FIFO


点击(此处)折叠或打开

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <string.h>
  4. #include <errno.h>
  5. #include <sys/types.h>
  6. #include <sys/stat.h>
  7. #include <fcntl.h>

  9. #define MAX 655360

  11. int main(int argc,char *argv[])
  12. {
  13.     int fd,n;
  14.     char buf[MAX];

  16.     if(argc < 2)
  17.     {
  18.         fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]);
  19.         exit(EXIT_FAILURE);
  20.     }
  21.     
  22.     if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
  23.     {
  24.         fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
  25.         exit(EXIT_FAILURE);
  26.     }

  28.     if((fd = open(argv[1],O_RDONLY )) < 0)
  29.     {
  30.         fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
  31.         exit(EXIT_FAILURE);
  32.     }
  33.     
  34.     printf("open for read success.\n");

  36.     while(1)
  37.     {
  38.         printf(">");
  39.         scanf("%d",&n);
  40.         
  41.         n = read(fd,buf,n);
  42.     
  43.         printf("Read %d bytes.\n",n);

  45.     }

  47.     exit(EXIT_SUCCESS);
  48. }

读者可以将这两个程序运行，然后输入read和write   FIFO大小就可以看到效果。





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