【Linux】中的管道实现

管道

管道的概念：

管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：

1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)

2. 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。

3. 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。

管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。

管道的局限性：

① 数据自己读不能自己写。

② 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。

③ 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。

④ 只能在有公共祖先的进程间使用管道。

常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信。

pipe函数

创建管道

    int pipe(int pipefd[2]); 成功：0；失败：-1，设置errno

函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。规定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢？通常可以采用如下步骤：

 

1. 父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。

2. 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。

3. 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

    练习：父子进程使用管道通信，父写入字符串，子进程读出并，打印到屏幕。 【pipe.c】

思考：为甚么，程序中没有使用sleep函数，但依然能保证子进程运行时一定会读到数据呢？

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1. #include <unistd.h>  
2. #include <string.h>  
3. #include <stdlib.h>  
4. #include <stdio.h>  
5. #include <sys/wait.h>  
6.   
7. void sys_err(const char *str)  
8. {  
9.     perror(str);  
10.     exit(1);  
11. }  
12.   
13. int main(void)  
14. {  
15.     pid_t pid;  
16.     char buf[1024];  
17.     int fd[2];  
18.     char *p = "test for pipe\n";  
19.       
20.    if (pipe(fd) == -1)   
21.        sys_err("pipe");  
22.   
23.    pid = fork();  
24.    if (pid < 0) {  
25.        sys_err("fork err");  
26.    } else if (pid == 0) {  
27.         close(fd[1]);  
28.         int len = read(fd[0], buf, sizeof(buf));  
29.         write(STDOUT_FILENO, buf, len);  
30.         close(fd[0]);  
31.    } else {  
32.        close(fd[0]);  
33.        write(fd[1], p, strlen(p));  
34.        wait(NULL);  
35.        close(fd[1]);  
36.    }  
37.       
38.     return 0;  
39. }  

管道的读写行为

    使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）：

1. 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。

2. 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。

3. 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。

4. 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

总结：

① 读管道： 1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。

2. 管道中无数据：

(1) 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)

  (2) 写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)

    ② 写管道： 1. 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)

2. 管道读端没有全部关闭：

(1) 管道已满，write阻塞。

(2) 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

    练习：使用管道实现父子进程间通信，完成：ls | wc –l。假定父进程实现ls，子进程实现wc。

ls命令正常会将结果集写出到stdout，但现在会写入管道的写端；wc –l 正常应该从stdin读取数据，但此时会从管道的读端读。      【pipe1.c】

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1. #include <stdio.h>  
2. #include <unistd.h>  
3. #include <sys/wait.h>  
4.   
5. int main(void)  
6. {  
7.     pid_t pid;  
8.     int fd[2];  
9.   
10.     pipe(fd);  
11.     pid = fork();  
12.   
13.     if (pid == 0) {  //child  
14.         close(fd[1]);                   //子进程从管道中读数据，关闭写端  
15.         dup2(fd[0], STDIN_FILENO);      //让wc从管道中读取数据  
16.         execlp("wc", "wc", "-l", NULL); //wc命令默认从标准读入取数据  
17.   
18.     } else {  
19.   
20.         close(fd[0]);   //父进程向管道中写数据，关闭读端  
21.         dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);     //将ls的结果写入管道中  
22.         execlp("ls", "ls", NULL);       //ls输出结果默认对应屏幕  
23.     }  
24.   
25.     return 0;  
26. }  
27.   
28.   
29.   
30.   
31.   
32. /* 
33.  *  程序不时的会出现先打印$提示符，再出程序运行结果的现象。 
34.  *  这是因为：父进程执行ls命令，将输出结果给通过管道传递给 
35.  *  子进程去执行wc命令，这时父进程若先于子进程打印wc运行结果 
36.  *  之前被shell使用wait函数成功回收，shell就会先于子进程打印 
37.  *  wc运行结果之前打印$提示符。 
38.  *  解决方法：让子进程执行ls,父进程执行wc命令。或者在兄弟进程间完成。 
39.  */  

程序执行，发现程序执行结束，shell还在阻塞等待用户输入。这是因为，shell → fork → ./pipe1， 程序pipe1的子进程将stdin重定向给管道，父进程执行的ls会将结果集通过管道写给子进程。若父进程在子进程打印wc的结果到屏幕之前被shell调用wait回收，shell就会先输出$提示符。

    练习：使用管道实现兄弟进程间通信。 兄：ls  弟： wc -l  父：等待回收子进程。

要求，使用“循环创建N个子进程”模型创建兄弟进程，使用循环因子i标示。注意管道读写行为。 【pipe2.c】

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1. #include <stdio.h>  
2. #include <unistd.h>  
3. #include <sys/wait.h>  
4.   
5. int main(void)  
6. {  
7.     pid_t pid;  
8.     int fd[2], i;  
9.       
10.     pipe(fd);  
11.   
12.     for (i = 0; i < 2; i++) {  
13.         if((pid = fork()) == 0) {  
14.             break;  
15.         }  
16.     }  
17.   
18.     if (i == 0) {           //兄  
19.         close(fd[0]);               //写,关闭读端  
20.         dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);       
21.         execlp("ls", "ls", NULL);     
22.     } else if (i == 1) {    //弟  
23.         close(fd[1]);               //读，关闭写端  
24.         dup2(fd[0], STDIN_FILENO);        
25.         execlp("wc", "wc", "-l", NULL);       
26.     } else {  
27.         close(fd[0]);  
28.         close(fd[1]);  
29.         for(i = 0; i < 2; i++)       //两个儿子wait两次  
30.             wait(NULL);  
31.     }  
32.   
33.     return 0;  
34. }  

    测试：是否允许，一个pipe有一个写端，多个读端呢？是否允许有一个读端多个写端呢？ 【pipe3.c】

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1. #include <stdio.h>  
2. #include <unistd.h>  
3. #include <sys/wait.h>  
4. #include <string.h>  
5. #include <stdlib.h>  
6.   
7. int main(void)  
8. {  
9.     pid_t pid;  
10.     int fd[2], i, n;  
11.     char buf[1024];  
12.   
13.     int ret = pipe(fd);  
14.     if(ret == -1){  
15.         perror("pipe error");  
16.         exit(1);  
17.     }  
18.   
19.     for(i = 0; i < 2; i++){  
20.         if((pid = fork()) == 0)  
21.             break;  
22.         else if(pid == -1){  
23.             perror("pipe error");  
24.             exit(1);  
25.         }  
26.     }  
27.   
28.     if (i == 0) {             
29.         close(fd[0]);                 
30.         write(fd[1], "1.hello\n", strlen("1.hello\n"));  
31.     } else if(i == 1) {   
32.         close(fd[0]);                 
33.         write(fd[1], "2.world\n", strlen("2.world\n"));  
34.     } else {  
35.         close(fd[1]);       //父进程关闭写端,留读端读取数据      
36. //      sleep(1);  
37.         n = read(fd[0], buf, 1024);     //从管道中读数据  
38.         write(STDOUT_FILENO, buf, n);  
39.   
40.         for(i = 0; i < 2; i++)       //两个儿子wait两次  
41.             wait(NULL);  
42.     }  
43.   
44.     return 0;  
45. }