linux 进程通信 管道

1、 管道概述及相关API应用

1.1 管道相关的关键概念

管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一，具有以下特点：

• 管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道；
• 只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）；
• 单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。
• 数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

1.2管道的创建：

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2])

　　

该函数创建的管道的两端处于一个进程中间，在实际应用中没有太大意义，因此，一个进程在由pipe()创建管道后，一般再fork一个子进程，然后通过管道实现父子进程间的通信（因此也不难推出，只要两个进程中存在亲缘关系，这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式来进行通信）。

1.3管道的读写规则：

管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字fd[1]来表示，称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道，如close、read、write等等。

从管道中读取数据：

• 如果管道的写端不存在，则认为已经读到了数据的末尾，读函数返回的读出字节数为0；
• 当管道的写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF，则返回管道中现有的数据字节数，如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF，则返回管道中现有数据字节数（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）。注：（PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定义，不同的内核版本可能会有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少为512字节，red hat 7.2中为4096）。

关于管道的读规则验证：

/**************
 * readtest.c *
 **************/
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
main()
{
	int pipe_fd[2];
	pid_t pid;
	char r_buf[100];
	char w_buf[4];
	char* p_wbuf;
	int r_num;
	int cmd;

	memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
	memset(w_buf,0,sizeof(r_buf));
	p_wbuf=w_buf;
	if(pipe(pipe_fd)<0)
	{
		printf("pipe create error\n");
		return -1;
	}

	if((pid=fork())==0)
	{
		printf("\n");
		close(pipe_fd[1]);
		sleep(3);//确保父进程关闭写端
	    　　r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,100);
　　　　　　　　　　printf(	"read num is %d   the data read from the pipe is %d\n",r_num,atoi(r_buf));

		close(pipe_fd[0]);
		exit();
	}
	else if(pid>0)
	{
	close(pipe_fd[0]);//read
	strcpy(w_buf,"111");
	if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!=-1)
		printf("parent write over\n");
	close(pipe_fd[1]);//write
		printf("parent close fd[1] over\n");
	sleep(10);
	}
}
 /**************************************************
 * 程序输出结果：
 * parent write over
 * parent close fd[1] over
 * read num is 4   the data read from the pipe is 111
 * 附加结论：
 * 管道写端关闭后，写入的数据将一直存在，直到读出为止.
 ****************************************************/

　　

向管道中写入数据：

• 向管道中写入数据时，linux将不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。 
  注：只有在管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIFPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略（默认动作则是应用程序终止）。

对管道的写规则的验证1：写端对读端存在的依赖性

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main()
{
	int pipe_fd[2];
	pid_t pid;
	char r_buf[4];
	char* w_buf;
	int writenum;
	int cmd;

	memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
	if(pipe(pipe_fd)<0)
	{
		printf("pipe create error\n");
		return -1;
	}

	if((pid=fork())==0)
	{
		close(pipe_fd[0]);
		close(pipe_fd[1]);
		sleep(10);
		exit();
	}
	else if(pid>0)
	{
	sleep(1);  //等待子进程完成关闭读端的操作
	close(pipe_fd[0]);//write
	w_buf="111";
	if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4))==-1)
		printf("write to pipe error\n");
	else
		printf("the bytes write to pipe is %d \n", writenum);

	close(pipe_fd[1]);
	}
}

　　

1.1 FIFO 命名管道

命名管道是一种特殊类型的文件，因为Linux中所有事物都是文件，它在文件系统中以文件名的形式存在。

在程序中，我们可以使用两个不同的函数调用来建立管道：

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);

int mknode(const char *filename, mode_t mode | S_IFIFO, (dev_t) 0 );

一、实验：使用FIFO实现进程间通信

两个独立的程序：

1.      生产者程序，它在需要时创建管道，然后尽可能快地向管道中写入数据。

2.      消费者程序，它从FIFO中读取数据并丢弃它们。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <limits.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

#define FIFO_NAME "../fifoname"
#define BUFFER_SIZE PIPE_BUF
#define TEN_MEG (1024 * 5 )

int main()
{
    int pipe_fd;
    int res;
    int open_mode = O_WRONLY;

    int byte = 0;
    char buffer[BUFFER_SIZE + 1];

    if (-1 == access(FIFO_NAME, F_OK)) {
        res = mkfifo(FIFO_NAME, 0777);
        if (res != 0) {
            printf("error create fifo pipe\n");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    printf("Process %d opening FIFO O_WRONLY\n", getpid());
    pipe_fd = open(FIFO_NAME, open_mode);
    printf("Process %d result %d\n", getpid(), pipe_fd);

    if (-1 != pipe_fd) {
        while (byte < TEN_MEG) {
            res = write(pipe_fd, buffer, BUFFER_SIZE);
	    printf("write to pipe %d data! and buffsize if %d\n", res, BUFFER_SIZE);
            if (-1 == res) {
                printf("error write to pipe\n");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }

            byte += res;
        }

        close(pipe_fd);
    }
    else
    {
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Process %d finished\n", getpid());

}

　消费者：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <limits.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

#define FIFO_NAME "../fifoname"
#define BUFFER_SIZE PIPE_BUF

int main()
{

    int pipe_fd;

    int open_mode = O_RDONLY;

    int res;
    char buffer[BUFFER_SIZE + 1];
    int byte = 0;

    printf("Process %d opening FIFO O_RDONLY\n", getpid());
    pipe_fd = open(FIFO_NAME, open_mode);
    printf("Process %d result %d\n", getpid(), pipe_fd);

    if (-1 != pipe_fd) {
        do
        {
            res = read(pipe_fd, buffer, BUFFER_SIZE);
	    printf("read from server %d bytes data!\n", res);
            byte += res;
	    sleep(1);
        }while (res > 0);

        close(pipe_fd);
    }
    else
    {
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Process %d finished, %d bytes read\n", getpid(), byte);

    return 0;

}