Linux系統編程——處理序間通訊：管道（pipe），linuxpipe

Linux系統編程——處理序間通訊：管道（pipe），linuxpipe
管道的概述

管道也叫無名管道，它是是 UNIX 系統 IPC（處理序間通訊） 的最古老形式，所有的 UNIX 系統都支援這種通訊機制。

無名管道有如下特點：

1、半雙工，資料在同一時刻只能在一個方向上流動。

2、資料只能從管道的一端寫入，從另一端讀出。

3、寫入管道中的資料遵循先入先出的規則。

4、管道所傳送的資料是無格式的，這要求管道的讀出方與寫入方必須事先約定好資料的格式，如多少位元組算一個訊息等。

5、管道不是普通的檔案，不屬於某個檔案系統，其只存在於記憶體中。

6、管道在記憶體中對應一個緩衝區。不同的系統其大小不一定相同。

7、從管道讀資料是一次性操作，資料一旦被讀走，它就從管道中被拋棄，釋放空間以便寫更多的資料。

8、管道沒有名字，只能在具有公用祖先的進程（父進程與子進程，或者兩個兄弟進程，具有親緣關係）之間使用。 

對於無名管道特點的理解，我們可以類比現實生活中管子，管子的一端塞東西，管子的另一端取東西。

無名管道是一種特殊類型的檔案，在應用程式層體現為兩個開啟的檔案描述符。

管道的操作

所需標頭檔：

#include <unistd.h>

int pipe(int filedes[2]);

功能：

建立無名管道。

參數：

filedes: 為 int 型數組的首地址，其存放了管道的檔案描述符 filedes[0]、filedes[1]。

當一個管道建立時，它會建立兩個檔案描述符 fd[0] 和 fd[1]。其中 fd[0] 固定用於讀管道，而 fd[1] 固定用於寫管道。一般檔案 I/O 的函數都可以用來操作管道( lseek() 除外)。

返回值：

成功：0

失敗：-1

下面我們寫這個一個例子，子進程通過無名管道給父進程傳遞一個字串資料：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>int main(int argc, char *argv[]){int fd_pipe[2] = {0};pid_t pid;if( pipe(fd_pipe) < 0 ){// 建立無名管道perror("pipe");}pid = fork(); // 建立進程if( pid < 0 ){ // 出錯perror("fork");exit(-1);}if( pid == 0 ){ // 子進程char buf[] = "I am mike";// 往管道寫端寫資料write(fd_pipe[1], buf, strlen(buf));_exit(0);}else if( pid > 0){// 父進程wait(NULL);// 等待子進程結束，回收其資源char str[50] = {0};// 從管道裡讀資料read(fd_pipe[0], str, sizeof(str));printf("str=[%s]\n", str); // 列印資料}return 0;}

運行結果如下：

管道的特點

每個管道只有一個頁面作為緩衝區，該頁面是按照環形緩衝區的方式來使用的。這種訪問方式是典型的“生產者——消費者”模型。當“生產者”進程有大量的資料需要寫時，而且每當寫滿一個頁面就需要進行睡眠等待，等待“消費者”從管道中讀走一些資料，為其騰出一些空間。相應的，如果管道中沒有可讀資料，“消費者” 進程就要睡眠等待，具體過程如所示：

預設的情況下，從管道中讀寫資料，最主要的特點就是阻塞問題（這一特點應該記住），當管道裡沒有資料，另一個進程預設用 read() 函數從管道中讀資料是阻塞的。

測試代碼如下：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>int main(int argc, char *argv[]){int fd_pipe[2] = {0};pid_t pid;if( pipe(fd_pipe) < 0 ){// 建立無名管道perror("pipe");}pid = fork(); // 建立進程if( pid < 0 ){ // 出錯perror("fork");exit(-1);}if( pid == 0 ){ // 子進程_exit(0);}else if( pid > 0){// 父進程wait(NULL);// 等待子進程結束，回收其資源char str[50] = {0};printf("before read\n");// 從管道裡讀資料，如果管道沒有資料， read()會阻塞read(fd_pipe[0], str, sizeof(str));printf("after read\n");printf("str=[%s]\n", str); // 列印資料}return 0;}

運行結果如下：

當然，我們編程時可通過 fcntl() 函數設定檔案的阻塞特性。

設定為阻塞：fcntl(fd, F_SETFL, 0);

設定為非阻塞：fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);

測試代碼如下：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <fcntl.h>int main(int argc, char *argv[]){int fd_pipe[2] = {0};pid_t pid;if( pipe(fd_pipe) < 0 ){// 建立無名管道perror("pipe");}pid = fork(); // 建立進程if( pid < 0 ){ // 出錯perror("fork");exit(-1);}if( pid == 0 ){ // 子進程sleep(3);char buf[] = "hello, mike";write(fd_pipe[1], buf, strlen(buf)); // 寫資料_exit(0);}else if( pid > 0){// 父進程fcntl(fd_pipe[0], F_SETFL, O_NONBLOCK); // 非阻塞//fcntl(fd_pipe[0], F_SETFL, 0); // 阻塞while(1){char str[50] = {0};read( fd_pipe[0], str, sizeof(str) );//讀資料printf("str=[%s]\n", str);sleep(1);}}return 0;}

運行結果如下：

預設的情況下，從管道中讀寫資料，還有如下特點（知道有這麼回事就夠了，不用刻意去記這些特點）：

1）調用 write() 函數向管道裡寫資料，當緩衝區已滿時 write() 也會阻塞。

測試代碼如下：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>int main(int argc, char *argv[]){int fd_pipe[2] = {0};pid_t pid;char buf[1024] = {0};memset(buf, 'a', sizeof(buf)); // 往管道寫的內容int i = 0;if( pipe(fd_pipe) < 0 ){// 建立無名管道perror("pipe");}pid = fork(); // 建立進程if( pid < 0 ){ // 出錯perror("fork");exit(-1);}if( pid == 0 ){ // 子進程while(1){write(fd_pipe[1], buf, sizeof(buf));i++;printf("i ======== %d\n", i);}_exit(0);}else if( pid > 0){// 父進程wait(NULL);// 等待子進程結束，回收其資源}return 0;}

運行結果如下：

2）通訊過程中，當前進程讀連接埠關閉後，向管道內寫資料時，write() 所在進程會（收到 SIGPIPE 訊號）退出，收到 SIGPIPE 預設動作為中斷當前進程。

測試代碼如下：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>int main(int argc, char *argv[]){int fd_pipe[2] = {0};pid_t pid;if( pipe(fd_pipe) < 0 ){// 建立無名管道perror("pipe");}pid = fork(); // 建立進程if( pid < 0 ){ // 出錯perror("fork");exit(-1);}if( pid == 0 ){ // 子進程//close(fd_pipe[0]);_exit(0);}else if( pid > 0 ){// 父進程wait(NULL);// 等待子進程結束，回收其資源close(fd_pipe[0]); // 當前進程讀連接埠關閉char buf[50] = "12345";// 當前進程讀連接埠關閉// write()會收到 SIGPIPE 訊號，預設動作為中斷當前進程write(fd_pipe[1], buf, strlen(buf));while(1);// 阻塞}return 0;}

運行結果如下：

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