【Linux系统编程】进程间通信之无名管道

00. 目录

文章目录

• 00. 目录
• 01. 管道概述
• 02. 管道创建函数
• 03. 管道的特性
• 04. 管道设置非阻塞
• 05. 附录

01. 管道概述

管道也叫无名管道，它是是 UNIX 系统 IPC（进程间通信） 的最古老形式，所有的 UNIX 系统都支持这种通信机制。

无名管道的特点

1、半双工，数据在同一时刻只能在一个方向上流动。

2、数据只能从管道的一端写入，从另一端读出。

3、写入管道中的数据遵循先入先出的规则。

4、管道所传送的数据是无格式的，这要求管道的读出方与写入方必须事先约定好数据的格式，如多少字节算一个消息等。

5、管道不是普通的文件，不属于某个文件系统，其只存在于内存中。

6、管道在内存中对应一个缓冲区。不同的系统其大小不一定相同。

7、从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读走，它就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据。

8、管道没有名字，只能在具有公共祖先的进程（父进程与子进程，或者两个兄弟进程，具有亲缘关系）之间使用。

对于无名管道特点的理解，我们可以类比现实生活中管子，管子的一端塞东西，管子的另一端取东西。

无名管道是一种特殊类型的文件，在应用层体现为两个打开的文件描述符。

02. 管道创建函数

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);
功能：
创建无名管道。

参数：
pipefd : 为 int 型数组的首地址，其存放了管道的文件描述符 pipefd[0]、pipefd[1]。

当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符 fd[0] 和 fd[1]。其中 fd[0] 固定用于读管道，而 fd[1] 固定用于写管道。一般文件 I / O 的函数都可以用来操作管道(lseek() 除外)。

返回值：
成功：0
失败：-1

下面我们写这个一个例子，子进程通过无名管道给父进程传递字符串数据

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define SIZE 64

int main(void)
{
int fd[2];
int i = 0;
pid_t pid = -1;

char buf[SIZE];

//创建一个无名管道 用在具有共同祖先的进程
if (pipe(fd) == -1)
{
perror("pipe");
goto err0;
}

printf("fd[0]: %d fd[1]: %d\n", fd[0], fd[1]);

//创建子进程
pid = fork();
if (-1 == pid)
{
perror("fork");
goto err1;
}
else if (0 == pid)
{
while(1)
{
//子进程  写管道
memset(buf, 0, SIZE);
sprintf(buf, "hello uplooking %d", i++);

write(fd[1], buf, strlen(buf));

sleep(1);

if (i >= 10)
break;
}

//关闭描述符
close(fd[0]);
close(fd[1]);

exit(0);
}
else
{
//父进程 读管道
while(1)
{
memset(buf, 0, SIZE);

if (read(fd[0], buf, SIZE) <= 0)
break;

printf("\033[31mbuf: %s\033[0m\n", buf);
}

//关闭描述符
close(fd[0]);
close(fd[1]);
}

return 0;
err1:
close(fd[0]);
close(fd[1]);
err0:
return 1;
}

测试结果:

deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2/4sys/4th/code$ gcc 17pipe.c
deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2/4sys/4th/code$ ./a.out
fd[0]: 3 fd[1]: 4
buf: hello uplooking 0
buf: hello uplooking 1
buf: hello uplooking 2
buf: hello uplooking 3
buf: hello uplooking 4
buf: hello uplooking 5
buf: hello uplooking 6

03. 管道的特性

每个管道只有一个页面作为缓冲区，该页面是按照环形缓冲区的方式来使用的。这种访问方式是典型的“生产者——消费者”模型。当“生产者”进程有大量的数据需要写时，而且每当写满一个页面就需要进行睡眠等待，等待“消费者”从管道中读走一些数据，为其腾出一些空间。相应的，如果管道中没有可读数据，“消费者” 进程就要睡眠等待，具体过程如下图所示：

默认的情况下，从管道中读写数据，最主要的特点就是阻塞问题（这一特点应该记住），当管道里没有数据，另一个进程默认用 read() 函数从管道中读数据是阻塞的。

测试代码:

#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 ){// 创建无名管道
perror("pipe");
}

pid = fork(); // 创建进程
if( pid < 0 ){ // 出错
perror("fork");
exit(-1);
}

if( pid == 0 ){ // 子进程

_exit(0);
}else if( pid > 0){// 父进程

wait(NULL);	// 等待子进程结束，回收其资源

char str[50] = {0};

printf("before read\n");

// 从管道里读数据，如果管道没有数据， read()会阻塞
read(fd_pipe[0], str, sizeof(str));

printf("after read\n");

printf("str=[%s]\n", str); // 打印数据
}

return 0;
}

测试结果:

deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ gcc 1.c
deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ ./a.out
before read

04. 管道设置非阻塞

当然，我们编程时可通过 fcntl() 函数设置文件的阻塞特性。

设置为阻塞：fcntl(fd, F_SETFL, 0);
设置为非阻塞：fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);

测试代码:

#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 ){// 创建无名管道
perror("pipe");
}

pid = fork(); // 创建进程
if( pid < 0 ){ // 出错
perror("fork");
exit(-1);
}

if( pid == 0 ){ // 子进程

sleep(3);

char buf[] = "hello, tom";
write(fd_pipe[1], buf, strlen(buf)); // 写数据

_exit(0);
}else if( pid > 0){// 父进程

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) );//读数据

printf("str=[%s]\n", str);
sleep(1);
}
}

return 0;
}

测试结果:

deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ gcc 1.c
deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ ./a.out
str=[]
str=[]
str=[]
str=[hello, tom]
str=[]
str=[]
str=[]
str=[]
str=[]

默认的情况下，从管道中读写数据，还有如下特性：

1）调用 write() 函数向管道里写数据，当缓冲区已满时 write() 也会阻塞。

测试代码如下:

#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)); // 往管道写的内容
int i = 0;

if( pipe(fd_pipe) < 0 ){// 创建无名管道
perror("pipe");
}

pid = fork(); // 创建进程
if( pid < 0 ){ // 出错
perror("fork");
exit(-1);
}

if( pid == 0 ){ // 子进程
while(1){
write(fd_pipe[1], buf, sizeof(buf));
i++;
printf("i ======== %d\n", i);
}

_exit(0);
}else if( pid > 0){// 父进程

wait(NULL);	// 等待子进程结束，回收其资源
}

return 0;
}

测试结果:

deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ gcc 1.c
deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ ./a.out
i ======== 1
i ======== 2
i ======== 3
i ======== 4
i ======== 5
i ======== 6
i ======== 7
i ======== 8
i ======== 9
i ======== 10
i ======== 11
i ======== 12
i ======== 13
i ======== 14
i ======== 15
i ======== 16
i ======== 17
i ======== 18
i ======== 19
i ======== 20
i ======== 21
i ======== 22
i ======== 23
i ======== 24
i ======== 25
i ======== 26
i ======== 27
i ======== 28
i ======== 29
i ======== 30
i ======== 31
i ======== 32
i ======== 33
i ======== 34
i ======== 35
i ======== 36
i ======== 37
i ======== 38
i ======== 39
i ======== 40
i ======== 41
i ======== 42
i ======== 43
i ======== 44
i ======== 45
i ======== 46
i ======== 47
i ======== 48
i ======== 49
i ======== 50
i ======== 51
i ======== 52
i ======== 53
i ======== 54
i ======== 55
i ======== 56
i ======== 57
i ======== 58
i ======== 59
i ======== 60
i ======== 61
i ======== 62
i ======== 63
i ======== 64

到了64没有打印，说明管道的缓冲区大小是64K

2）通信过程中，别的进程先结束后，当前进程读端口关闭后，向管道内写数据时，write() 所在进程会（收到 SIGPIPE 信号）退出，收到 SIGPIPE 默认动作为中断当前进程。

测试代码:

#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 ){// 创建无名管道
perror("pipe");
}

pid = fork(); // 创建进程
if( pid < 0 ){ // 出错
perror("fork");
exit(-1);
}

if( pid == 0 ){ // 子进程
//close(fd_pipe[0]);

_exit(0);
}else if( pid > 0 ){// 父进程

wait(NULL);	// 等待子进程结束，回收其资源

close(fd_pipe[0]); // 当前进程读端口关闭

char buf[50] = "12345";

// 当前进程读端口关闭
// write()会收到 SIGPIPE 信号，默认动作为中断当前进程
write(fd_pipe[1], buf, strlen(buf));

while(1);	// 阻塞
}

return 0;
}

测试结果:

deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ gcc 1.c
deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ ./a.out
deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$

程序直接中断退出，没有任何结果。

05. 附录

5.1 参考博客：【Linux系统编程】进程间通信–无名管道（pipe）

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