Linux进程间的通信——管道

Linux进程间的通信——管道

   信号可以看作一种粗糙的进程间通信(IPC, interprocess communication)的方式，用以向进程封闭的内存空间传递信息。为了让进程间传递更多的信息量，我们需要其他的进程间通信方式。这些进程间通信方式可以分为两种:

• 管道(PIPE)机制。在Linux文本流中，我们提到可以使用管道将一个进程的输出和另一个进程的输入连接起来，从而利用文件操作API来管理进程间通信。在shell中，我们经常利用管道将多个进程连接在一起，从而让各个进程协作，实现复杂的功能。
• 传统IPC (interprocess communication)。我们主要是指消息队列(message queue)，信号量(semaphore)，共享内存(shared memory)。这些IPC的特点是允许多进程之间共享资源，这与多线程共享heap和global data相类似。由于多进程任务具有并发性 (每个进程包含一个进程，多个进程的话就有多个线程)，所以在共享资源的时候也必须解决同步的问题。

管道与FIFO文件

一个原始的IPC方式是所有的进程通过一个文件交流。比如我在纸(文件)上写下我的名字和年纪。另一个人读这张纸，会知道我的名字和年纪。他也可以在同一张纸上写下他的信息，而当我读这张纸的话，同样也可以知道别人的信息。但是，由于硬盘读写比较慢，所以这个方式效率很低。那么，我们是否可以将这张纸放入内存中以提高读写速度呢？

    在Linux文本流中，我们已经讲解了如何在shell中使用管道连接多个进程。同样，许多编程语言中，也有一些命令用以实现类似的机制，比如在Python子进程中使用Popen和PIPE，在C语言中也有popen库函数来实现管道 (shell中的管道就是根据此编写的)。管道是由内核管理的一个缓冲区(buffer)，相当于我们放入内存中的一个纸条。管道的一端连接一个进程的输出。这个进程会向管道中放入信息。管道的另一端连接一个进程的输入，这个进程取出被放入管道的信息。一个缓冲区不需要很大，它被设计成为环形的数据结构，以便管道可以被循环利用。当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会等待，直到另一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。

   从原理上，管道利用fork机制建立，从而让两个进程可以连接到同一个PIPE上。最开始的时候，上面的两个箭头都连接在同一个进程Process 1上(连接在Process 1上的两个箭头)。当fork复制进程的时候，会将这两个连接也复制到新的进程(Process 2)。随后，每个进程关闭自己不需要的一个连接 (两个黑色的箭头被关闭; Process 1关闭从PIPE来的输入连接，Process 2关闭输出到PIPE的连接)，这样，剩下的红色连接就构成了如上图的PIPE。

由于基于fork机制，所以管道只能用于父进程和子进程之间，或者拥有相同祖先的两个子进程之间 (有亲缘关系的进程之间)。为了解决这一问题，Linux提供了FIFO方式连接进程。FIFO又叫做命名管道(named PIPE)。

FIFO (First in, First out)为一种特殊的文件类型，它在文件系统中有对应的路径。当一个进程以读(r)的方式打开该文件，而另一个进程以写(w)的方式打开该文件，那么内核就会在这两个进程之间建立管道，所以FIFO实际上也由内核管理，不与硬盘打交道。之所以叫FIFO，是因为管道本质上是一个先进先出的队列数据结构，最早放入的数据被最先读出来(好像是传送带，一头放货，一头取货)，从而保证信息交流的顺序。FIFO只是借用了文件系统(file system)来为管道命名。写模式的进程向FIFO文件中写入，而读模式的进程从FIFO文件中读出。当删除FIFO文件时，管道连接也随之消失。FIFO的好处在于我们可以通过文件的路径来识别管道，从而让没有亲缘关系的进程之间建立连接。

无名管道，在父子进程中实现管道
pipo_rw
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int pipe_fd[2];
    pid_t pid;
    char buf_r[100];
    char* p_wbuf;
    int r_num;
    
    memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
    
    /*创建管道*/
    if(pipe(pipe_fd)<0)
    {
        printf("pipe create error\n");
        return -1;
    }
    
    /*创建子进程*/
    if((pid=fork())==0)  //子进程执行序列
    {
        printf("\n");
        close(pipe_fd[1]);//子进程先关闭了管道的写端
        sleep(2); /*让父进程先运行，这样父进程先写子进程才有内容读*/
        if((r_num=read(pipe_fd[0],buf_r,100))>0)
        {
            printf("%d numbers read from the pipe is %s\n",r_num,buf_r);
        }    
        close(pipe_fd[0]);
        exit(0);
      }
    else if(pid>0) //父进程执行序列
    {
        close(pipe_fd[0]); //父进程先关闭了管道的读端
        if(write(pipe_fd[1],"Hello",5)!=-1)
            printf("parent write1 Hello!\n");
        if(write(pipe_fd[1]," Pipe",5)!=-1)
            printf("parent write2 Pipe!\n");
        close(pipe_fd[1]);
        waitpid(pid,NULL,0); /*等待子进程结束*/
        exit(0);
    }
    return 0;
}
有名管道，需要创建两个进程
fifo_write
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define FIFO_SERVER "/tmp/myfifo"


int main(int argc,char** argv)
{
    int fd;
    char w_buf[100];
    int nwrite;
    
    /*创建有名管道*/
    if((mkfifo(FIFO_SERVER,O_CREAT|O_EXCL|O_RDWR)<0)&&(errno!=EEXIST))
        printf("cannot create fifoserver\n");

    /*打开管道*/
    fd=open(FIFO_SERVER,O_RDWR|O_NONBLOCK,0);
    if(fd==-1)
    {
        perror("open");
        exit(1);
    }
    
    /*入参检测*/
    if(argc==1)
    {
        printf("Please send something\n");
        exit(-1);
    }
    strcpy(w_buf,argv[1]);
    
    /* 向管道写入数据 */
    if((nwrite=write(fd,w_buf,100))==-1)
    {
        if(errno==EAGAIN)
            printf("The FIFO has not been read yet.Please try later\n");
    }
    else
        printf("write %s to the FIFO\n",w_buf);
    close(fd); //关闭管道
    return 0;
}
fifo_read
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define FIFO "/tmp/myfifo"

int main(int argc,char** argv)
{
    char buf_r[100];
    int  fd;
    int  nread;

    printf("Preparing for reading bytes...\n");
    memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
    
    /* 打开管道 */
    fd=open(FIFO,O_RDONLY|O_NONBLOCK,0);
    if(fd==-1)
    {
        perror("open");
        exit(1);    
    }
    while(1)
    {
        memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
        
        if((nread=read(fd,buf_r,100))==-1)
        {
            if(errno==EAGAIN)
                printf("no data yet\n");
        }
        printf("read %s from FIFO\n",buf_r);
        sleep(1);
    }
       //后面三句话是不会被运行到的，但不会影响程序运行的效果当程序在上面的死循环中执行时收到信号后会马上结束运行而没有执行后面的三句话。这些会在后面的信号处理中讲到，现在不理解没有关系，这个问题留给大家学习了信号处理之后来解决。
    close(fd); //关闭管道
    pause(); /*暂停，等待信号*/
    unlink(FIFO); //删除文件
}