Linux进程间通信(二)---管道通信之无名管道及其基础实验

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管道简介

   管道是Linux中进程间通信的一种方式，它把一个程序的输出直接连接到另一个程序的输入(其实我更愿意将管道比喻为农村浇地的管子)。Linux的管道主要包括两种：无名管道和有名管道。这一节主要讲无名管道，首先介绍一下这两个管道。（特点很重要啊！）

1、无名管道

   无名管道是Linux中管道通信的一种原始方法，如图一(左)所示，它具有以下特点：

   ①  它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也就是父子进程或者兄弟进程之间）；

   ②  它是一个半双工的通信模式，具有固定的读端和写端；

   ③   管道也可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的 read()、write()等函数。但它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统并且只存在于内存中。

2、有名管道(FIFO)

    有名管道是对无名管道的一种改进，如图1(右)所示，它具有以下特点：

    ①  它可以使互不相关的两个进程间实现彼此通信；

    ②  该管道可以通过路径名来指出，并且在文件系统中是可见的。在建立了管道之后，两个进程就可以把它当做普通文件一样进行读写操作，使用非常方便；

    ③  FIFO严格地遵循先进先出规则，对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则是把数据添加到末尾，它们不支持如 lseek()等文件定位操作。

    

无名管道及其系统调用

1、管道创建与管道说明

    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，如图2所示，这样就构成了一个半双工的通道。

    

   管道关闭时只需要将这两个文件描述符关闭即可，可使用普通的close()函数逐个关闭各个文件描述符。

2、管道创建函数

   创建管道可以调用 pipe() 来实现，如下表

  

3、管道读写说明

   用 pipe() 创建的管道两端处于同一个进程中，由于管道主要是用于在不同的进程间通信的，因此，在实际应用中没有太大意义。实际上，通常先是创建一个管道，再调用fork()函数创建一个子进程，该子进程会继承父进程所创建的管道，这时，父子进程管道的文件描述符对应关系如下图

      

   此时的关系看似非常复杂，实际上却已经给不同进程之间的读写创造了很好的条件。父子进程分别拥有自己的读写通道，为了实现父子进程之间的读写，只需把无关的读端或写端的文件描述符关闭即可。例如，图4中，将父进程的写端fd[1]和子进程的读端fd[0]关闭，则父子进程之间就建立起一条“子进程写入父进程读取”的通道。   同样，也可以将父进程的读端fd[0]和子进程的写端fd[1]关闭，则父子进程之间就建立起一条“父进程写入子进程读取”的通道

   

   另外，父进程还可以创建多个子进程，各个子进程都继承了相应的fd[0]和fd[1]，此时，只需要关闭相应的端口就可以建立各子进程之间的的通道。

4、管道读写注意点

   ●  只有在管道的读端存在时，向管道写入数据才有意义。否则，向管道写入数据的进程将收到内核传来的 SIGPIPE 信号(通常为 Broken pipe错误)。

   ●  向管道写入数据时，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。如果读进程不读取管道缓冲区中的数据，那么写进程将会一直阻塞。

   ●  父子进程在运行时，它们的先后次序并不能保证。因此，为了保证父子进程已经关闭了相应的文件描述符，可在两个进程中调用 sleep()函数。当然，这种调用不是很好的解决方法，以后我会用进程之间的同步与互斥机制来修改它的！

基础实验

    本实验中，首先创建管道，之后父进程使用 fork()函数创建子进程，最后通过关闭父进程的读描述符fd[0]和子进程的写描述符fd[1]来建立一个"父进程写入子进程读取"的管道，从而建立起它们之间的通信。

   本实验代码如下，我上传到网站，pipe.c

  

  使用命令: gcc pipe.c -o pipe编译后，运行：./pipe 可以看到如下结果

   

标准流管道

标准流管道函数说明

  与Linux的文件操作中有基于文件流的标准I/O操作一样，管道的操作也支持基于文件流的的模式。这种基于文件流的管道主要是用来创建一个连接到另一个进程的管道，这里的"另一个进程"也就是一个可以进行一定操作的可执行文件，例如，用户执行“ls -l”或者自己编写的程序“./pipe”  等。由于这类操作很常用，因此标准流管道就将一系列的创建过程合并到一个函数 popen()中完成，它所完成的工作有以下几步:

   ①  创建一个管道

   ②  fork()创建一个子进程

   ③  在父子进程中关闭不需要的文件描述符

   ④  执行 exec 函数族调用

   ⑤  执行函数中所指定的命令

   这个函数的使用可以大大减少代码的编写量，但同时也有一些不利之处。例如，它不如前面管道创建的函数那样灵活多变，并且用popen()创建的管道必须使用标准I/O函数进行操作，而不能使用前面的 read()、write()一类不带缓冲的I/O函数。与之相对应，关闭用popen()创建的流管道必须使用函数 pclose()，该函数关闭标准I/O流，并等待命令执行结束。

函数格式

   popen()函数和pclose()函数如下表：

    

    

基础实验2

    本实验中，使用popen()函数来执行“ls -l”命令。可以看出，popen()函数的使用能使程序变得短小精悍。

    standard_pipe.c文件

    

   执行结果如下

   

   下一节讲有名管道