Linux進(jìn)程通信之管道解析

概述

管道是 UNIX系統(tǒng) IPC的最古老的形式，所有的UNIX系統(tǒng)都提供此種通信。所謂的管道，也就是內(nèi)核里面的一串緩存，從管道的一段寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，實(shí)際上是緩存在內(nèi)核中的，令一端讀取，也就是從內(nèi)核中讀取這段數(shù)據(jù)。對(duì)于管道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是無(wú)格式的流且大小受限。對(duì)于管道來(lái)說(shuō)，也分為匿名管道和命名管道，其中命名管道也被叫做 FIFO，下面則分別闡述這兩種管道。

匿名管道

默認(rèn)情況下，在 Shell命令執(zhí)行過(guò)程中，任何一個(gè)命令都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備（鍵盤(pán)）、標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備（顯示器）和標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備（顯示器），使用管道"|"可以將兩個(gè)命令連接起來(lái)，從而改變標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出方式,下面是在 Linux 端運(yùn)行命令行的一個(gè)截圖：

image-20210704161819420

上述命令中的意思也就是，將ls命令得到的結(jié)果作為 grep tags命令的輸入。

image-20210704162803903

連接輸入輸出的中間設(shè)備即為一個(gè)管道文件，綜上，也就是說(shuō)使用管道可以將一個(gè)命令的輸出作為另一個(gè)命令的輸入（在運(yùn)行的時(shí)候，一個(gè)命令將創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程），而這種管道是臨時(shí)的，命令執(zhí)行完畢之后就會(huì)自動(dòng)消失，這類(lèi)管道稱(chēng)為無(wú)名管道。

匿名管道例子

匿名管道在使用前要先創(chuàng)建，其函數(shù)的聲明如下：

extern int pipe (int __pipedes[2]);

此函數(shù)的參數(shù)是一個(gè)整型數(shù)組，如果執(zhí)行成功，pipe 將存儲(chǔ)兩個(gè)整型文件描述符于__pipedes[0]和__pipedes[1]中，他們分別指向管道的兩端。如果系統(tǒng)調(diào)用失敗，則返回 -1。

讀無(wú)名管道，該函數(shù)的聲明如下：

extern ssize_t read (int __fd, void *__buf, size_t __nbytes);

第一個(gè)參數(shù)fd為打開(kāi)的文件描述符，buf為讀出數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置，nbytes為讀取數(shù)據(jù)的大小，調(diào)用 read 函數(shù)將從 fd 指向的文件描述符指定的打開(kāi)文件中宏讀 n 字節(jié)到 buf 指向的緩沖區(qū)內(nèi)。

如果試圖向已經(jīng)填滿的管道寫(xiě)入，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)阻塞。一個(gè)管道不能同時(shí)被兩個(gè)進(jìn)程打開(kāi)。

extern ssize_ t write(int __fd, __const void *__buf, size_t __n);

從 buf指向的緩沖區(qū)中向管道中寫(xiě)入nbytes字節(jié)，且每次寫(xiě)入的內(nèi)容都附件在管道的末端。

那要如何使用管道在兩個(gè)進(jìn)程之間通信呢，我們可以使用 fork()創(chuàng)建子進(jìn)程，創(chuàng)建的子進(jìn)程會(huì)復(fù)制父進(jìn)程的文件描述符，這樣就做到了兩個(gè)進(jìn)程各有兩個(gè)fd[0]與fd[1]，兩個(gè)進(jìn)程就可以通過(guò)各自的fd寫(xiě)入和讀取同一個(gè)管道文件實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信了，具體原理如下所示：

image-20210704170602297

具體的例子如下所示：

#include
#include
#include

int main(int argc, char *argv[])
{
    pid_t pid;
    int temp;
    int pipedes[2];
    char s[14] = "test message!";
    char d[14];

    if (pipe(pipedes) == -1) // 創(chuàng)建管道
    {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (pid == fork() == -1)
    {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if (pid == 0)      // 子進(jìn)程
    {
        printf("now,write data to pipen");
        if (write(pipedes[1], s, 14) == -1)   // 寫(xiě)數(shù)據(jù)到管道
        {
            perror("write");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        else
        {
            printf("the written data is:%sn",s);
            exit(EXIT_SUCESS);
        }
    }
    else if (pid > 0)     // 父進(jìn)程
    {
        slepp(2);
        printf("now, read from pipen");
        if ((read(pipedes[0], d, 14)) == -1)
        {
            perror("read");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        printf("the data from pipe is:%sn",d);
    }
    return 0;
}

代碼運(yùn)行的結(jié)果如下所示：

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命名管道

命名管道又被稱(chēng)之為是 FIFO ，未命名的管道只能在兩個(gè)相關(guān)的進(jìn)程之間使用，而且這兩個(gè)相關(guān)的進(jìn)程還要又一個(gè)共同創(chuàng)建了他們的祖先進(jìn)程，但是，通過(guò) FIFO ，不相關(guān)的進(jìn)程也能交換數(shù)據(jù)。

首先，介紹下是如何創(chuàng)建命名管道的：

extern int mkfifo (__const char *__path, __mode_t __mode);

mkfifo會(huì)根據(jù)參數(shù)建立特殊的有名管道文件，該文件必須不存在，而參數(shù)mode為該文件的權(quán)限。

下面是一個(gè)使用命名管道進(jìn)行進(jìn)程間通信的例子，例子分為兩個(gè)程序，分別是讀部分和寫(xiě)部分,首先看先往管道寫(xiě)數(shù)據(jù)的代碼，代碼如下所示：

#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  

int main() 
{ 
    int fd; 

    // FIFO file path 
    char * myfifo = "/tmp/myfifo"; 

    // Creating the named file(FIFO) 
    // mkfifo(, ) 
    mkfifo(myfifo, 0666); 

    char arr1[80], arr2[80]; 
    while (1) 
    { 
        // Open FIFO for write only 
        fd = open(myfifo, O_WRONLY); 
        printf("The fd is:%dn",fd);

        // Take an input arr2ing from user. 
        // 80 is maximum length 
        fgets(arr2, 80, stdin); 

        // Write the input arr2ing on FIFO 
        // and close it 
        write(fd, arr2, strlen(arr2)+1); 
        close(fd); 

        // Open FIFO for Read only 
        fd = open(myfifo, O_RDONLY); 

        // Read from FIFO 
        read(fd, arr1, sizeof(arr1)); 

        // Print the read message 
        printf("User2: %s", arr1); 
        close(fd); 
    } 
    return 0; 
}

然后是先往管道讀數(shù)據(jù)的代碼，代碼如下所示：

#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  

int main() 
{ 
    int fd1; 

    // FIFO file path 
    char * myfifo = "/tmp/myfifo"; 

    char str1[80], str2[80]; 
    while (1) 
    { 
        // First open in read only and read 
        fd1 = open(myfifo,O_RDONLY); 
        printf("The fd is:%dn",fd1);
        read(fd1, str1, 80); 

        // Print the read string and close 
        printf("User1: %s", str1); 
        close(fd1); 

        // Now open in write mode and write 
        // string taken from user. 
        fd1 = open(myfifo,O_WRONLY); 
        fgets(str2, 80, stdin); 
        write(fd1, str2, strlen(str2)+1); 
        close(fd1); 
    } 
    return 0; 
} 

下面是代碼運(yùn)行的一個(gè)結(jié)果：

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說(shuō)明一下，就是說(shuō)當(dāng)運(yùn)行 write程序的時(shí)候，會(huì)創(chuàng)Linux建fifo文件，命名管道，然后，在 write文件中就執(zhí)行open操作，但是，這里存在的一個(gè)問(wèn)題就是，因?yàn)樵谶\(yùn)行 write程序的時(shí)候，沒(méi)有進(jìn)程打開(kāi)讀端，也就阻塞了 open函數(shù)的運(yùn)行,只有運(yùn)行read操作，以讀的方式讀取管道的數(shù)據(jù)，這樣才能使得write中的open函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行。

綜上，也就是命名管道在進(jìn)程中通信的一個(gè)例子。

小結(jié)

上述就是本次進(jìn)程通信中關(guān)于管道的相關(guān)內(nèi)容，其中就包括匿名管道以及命名管道，他們之間存在著差別嗎，也各有各的應(yīng)用，本次的分享就到這里啦~