Linux 上实现双向进程间通信管道

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吴咏炜 （adah@sh163.net）

本文阐述了一个使用 socketpair 系统调用在 Linux 上实现双向进程通讯管道的方法，并提供了一个实现。

问题和常见方法
Linux 提供了 popen 和 pclose 函数(1) ，用于创建和关闭管道与另外一个进程进行通信。其接口如下：

FILE *popen(const char *command， const char *mode); int pclose(FILE *stream);

遗憾的是，popen 创建的管道只能是单向的 -- mode 只能是 "r" 或 "w" 而不能是某种组合--用户只能选择要么往里写，要么从中读，而不能同时在一个管道中进行读写。实际应用中，经常会有同时进行读写的要求，比如，我们可能希望把文本数据送往 sort 工具排序后再取回结果。此时 popen 就无法用上了。我们需要寻找其它的解决方案。

有一种解决方案是使用 pipe 函数(2)创建两个单向管道。没有错误检测的代码示意如下：

int pipe_in[2], pipe_out[2]; pid_t pid; pipe(&pipe_in); // 创建父进程中用于读取数据的管道 pipe(&pipe_out); // 创建父进程中用于写入数据的管道 if ( (pid = fork()) == 0) { // 子进程 close(pipe_in[0]); // 关闭父进程的读管道的子进程读端 close(pipe_out[1]); // 关闭父进程的写管道的子进程写端 dup2(pipe_in[1], STDOUT_FILENO); // 复制父进程的读管道到子进程的标准输出 dup2(pipe_out[0], STDIN_FILENO); // 复制父进程的写管道到子进程的标准输入 close(pipe_in[1]); // 关闭已复制的读管道 close(pipe_out[0]); // 关闭已复制的写管道 /* 使用exec执行命令 */ } else { // 父进程 close(pipe_in[1]); // 关闭读管道的写端 close(pipe_out[0]); // 关闭写管道的读端 /* 现在可向pipe_out[1]中写数据，并从pipe_in[0]中读结果 */ close(pipe_out[1]); // 关闭写管道 /* 读取pipe_in[0]中的剩余数据 */ close(pipe_in[0]); // 关闭读管道 /* 使用wait系列函数等待子进程退出并取得退出代码 */ }

当然，这样的代码的可读性（特别是加上错误处理代码之后）比较差，也不容易封装成类似于 popen/pclose 的函数，方便高层代码使用。究其原因，是 pipe 函数返回的一对文件描述符只能从第一个中读、第二个中写（至少对于 Linux 是如此）。为了同时读写，就只能采取这么累赘的两个 pipe 调用、两个文件描述符的形式了。

一个更好的方案
使用pipe就只能如此了。不过，Linux 实现了一个源自 BSD 的 socketpair 调用 (3)，可以实现上述在同一个文件描述符中进行读写的功能（该调用目前也是 POSIX 规范的一部分(4) ）。该系统调用能创建一对已连接的（UNIX 族）无名 socket。在 Linux 中，完全可以把这一对 socket 当成 pipe 返回的文件描述符一样使用，唯一的区别就是这一对文件描述符中的任何一个都可读和可写。

这似乎可以是一个用来实现进程间通信管道的好方法。不过，要注意的是，为了解决我前面的提出的使用 sort 的应用问题，我们需要关闭子进程的标准输入通知子进程数据已经发送完毕，而后从子进程的标准输出中读取数据直到遇到 EOF。使用两个单向管道的话每个管道可以单独关闭，因而不存在任何问题；而在使用双向管道时，如果不关闭管道就无法通知对端数据已经发送完毕，但关闭了管道又无法从中读取结果数据。——这一问题不解决的话，使用 socketpair 的设想就变得毫无意义。

令人高兴的是，shutdown 调用 (5) 可解决此问题。毕竟 socketpair 产生的文件描述符是一对 socket，socket 上的标准操作都可以使用，其中也包括 shutdown。——利用 shutdown，可以实现一个半关闭操作，通知对端本进程不再发送数据，同时仍可以利用该文件描述符接收来自对端的数据。没有错误检测的代码示意如下：

int fd[2]; pid_t pid; socketpair(AF_UNIX, SOCKET_STREAM, 0, fd); // 创建管道 if ( (pid = fork()) == 0) { // 子进程 close(fd[0]); // 关闭管道的父进程端 dup2(fd[1], STDOUT_FILENO); // 复制管道的子进程端到标准输出 dup2(fd[1], STDIN_FILENO); // 复制管道的子进程端到标准输入 close(fd[1]); // 关闭已复制的读管道 /* 使用exec执行命令 */ } else { // 父进程 close(fd[1]); // 关闭管道的子进程端 /* 现在可在fd[0]中读写数据 */ shutdown(fd[0], SHUT_WR); // 通知对端数据发送完毕 /* 读取剩余数据 */ close(fd[0]); // 关闭管道 /* 使用wait系列函数等待子进程退出并取得退出代码 */ }

很清楚，这比使用两个单向管道的方案要简洁不少。我将在此基础上作进一步的封装和改进。

封装和实现
直接使用上面的方法，无论怎么看，至少也是丑陋和不方便的。程序的维护者想看到的是程序的逻辑，而不是完成一件任务的各种各样的繁琐细节。我们需要一个好的封装。

封装可以使用 C 或者 C++。此处，我按照 UNIX 的传统，提供一个类似于 POSIX 标准中 popen/pclose 函数调用的 C 封装，以保证最大程度的可用性。接口如下：

FILE *dpopen(const char *command); int dpclose(FILE *stream); int dphalfclose(FILE *stream);

关于接口，以下几点需要注意一下：
- 与 pipe 函数类似，dpopen 返回的是文件结构的指针，而不是文件描述符。这意味着，我们可以直接使用 fprintf 之类的函数，文件缓冲区会缓存写入管道的数据（除非使用 setbuf 函数关闭文件缓冲区），要保证数据确实写入到管道中需要使用 fflush 函数。
- 由于 dpopen 返回的是可读写的管道，所以 popen 的第二个表示读/写的参数不再需要。
- 在双向管道中我们需要通知对端写数据已经结束，此项操作由dphalfclose函数来完成。

具体的实现请直接查看程序源代码，其中有详细的注释和 doxygen 文档注释(6) 。我只略作几点说明：
- 本实现使用了一个链表来记录所有 dpopen 打开的文件指针和子进程 ID 的对应关系，因此，在同时用 dpopen 打开的管道的多的时候，dpclose（需要搜索链表）的速度会稍慢一点。我认为在通常使用过程中这不会产生什么问题。如果在某些特殊情况下这会是一个问题的话，可考虑更改 dpopen 的返回值类型和 dpclose 的传入参数类型（不太方便使用，但实现简单），或者使用哈希表/平衡树来代替目前使用的链表以加速查找（接口不变，但实现较复杂）。
- 当编译时在 gcc 中使用了 "-pthread" 命令行参数时，本实现会启用 POSIX 线程支持，使用互斥量保护对链表的访问。因此本实现可以安全地用于 POSIX 多线程环境之中。
- 与 popen 类似(7) ，dpopen 会在 fork 产生的子进程中关闭以前用 dpopen 打开的管道。
- 如果传给 dpclose 的参数不是以前用 dpopen 返回的非 NULL 值，当前实现除返回 -1 表示错误外，还会把 errno 设为 EBADF。对于 pclose 而言，这种情况在 POSIX 规范中被视为不确定（unspecified）行为 (8)。
- 实现中没有使用任何平台相关特性，以方便移植到其它 POSIX 平台上。

下面的代码展示了一个简单例子，将多行文本送到 sort 中，然后取回结果、显示出来：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include "dpopen.h" #define MAXLINE 80 int main() { char line[MAXLINE]; FILE *fp; fp = dpopen("sort"); if (fp == NULL) { perror("dpopen error"); exit(1); } fprintf(fp, "orange/n"); fprintf(fp, "apple/n"); fprintf(fp, "pear/n"); if (dphalfclose(fp) < 0) { perror("dphalfclose error"); exit(1); } for (;;) { if (fgets(line, MAXLINE, fp) == NULL) break; fputs(line, stdout); } dpclose(fp); return 0; }

输出结果为：

apple orange pear

总结
本文阐述了一个使用 socketpair 系统调用在 Linux 上实现双向进程通讯管道的方法，并提供了一个实现。该实现提供的接口与 POSIX 规范中的 popen/pclose 函数较为接近，因而非常易于使用。该实现没有使用平台相关的特性，因而可以不加修改或只进行少量修改即可移植到支持 socketpair 调用的 POSIX 系统中去。

本文源码下载：dpopen.zip

参考资料
1. 相应的man (3)页。在线查看：http://www.die.net/doc/linux/man/man3/popen.3.html
2. 相应的man (2)页。在线查看：http://www.die.net/doc/linux/man/man2/pipe.2.html
3. 相应的man (2)页。在线查看：http://www.die.net/doc/linux/man/man2/socketpair.2.html
4. POSIX规范：http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/socketpair.html
5. 相应的man (2)页。在线查看：http://www.die.net/doc/linux/man/man2/shutdown.2.html
6. Doxygen主页：http://www.stack.nl/~dimitri/doxygen/
7. POSIX规范：http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/popen.html
8. POSIX规范：http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/pclose.html

关于作者
吴咏炜，目前在 Linux 上从事高性能入侵检测系统的研发。对于开发跨平台、高性能、可重用的 C++ 代码有着浓厚的兴趣。adah@sh163.net 可以跟他联系。

全文出自 : IBM developerWorks 中国