进程间通信之popen和pclose函数

常见的操作是创建一个管道连接到另一个进程，然后读其输出或向其输入端发送数据，为此，标准I/O库提供了两个函数popen和pclose。这两个函数实现的操作是：创建一个管道，调用fork产生一个子进程，关闭管道的不使用端，执行一个shell以运行命令，然后等待命令终止。

#include <stdio.h>

FILE *popen(const char *cmdstring, const char *type);
返回值：若成功则返回文件指针，若出错则返回NULL

int pclose(FILE *fp);
返回值：cmdstring的终止状态，若出错则返回-

函数popen先执行fork，然后调用exec以执行cmdstring，并且返回一个标准I/O文件指针。如果type是“r”，则文件指针连接到cmdstring的标准输出（见图15-5）。

    fp相当于管道的fd[0], stdout相当于管道的fd[1].

    图15-5 执行fp = popen（cmdstring， “r”）函数的结果

如果type是“w”，则文件指针连接到cmdstring的标准输入（见图15-6）。

      fp相当于管道的fd[1], stdin相当于管道的fd[0].

      图15-6 执行fp = popen（cmdstring， “w”）函数的结果

pclose函数关闭标准I/O流，等待命令执行结束，然后返回shell的终止状态。（我们曾在http://www.cnblogs.com/nufangrensheng/p/3510101.html对终止状态进行过说明，system函数（http://www.cnblogs.com/nufangrensheng/p/3512291.html）也返回终止状态。）如果shell不能被执行，则pclose返回的终止状态与shell已执行exit（127）一样。

cmdstring由Bourne shell以下列方式执行：

sh -c cmdstring

这表示shell将扩展cmdstring中的任何特殊字符。 例如，可以使用：

fp = popen("ls *.c", "r");
或者
fp = popen("cmd 2>&1", "r");

实例

程序清单15-4 用popen向分页程序传送文件

#include "apue.h"
#include <sys/wait.h>

#define PAGER    "${PAGER:-more}"    /* environment variable, or default */

int
main(int argc, char *argv[])
{
    char    line[MAXLINE];
    FILE    *fpin, *fpout;

    if(argc != )
        err_quit("usage: a.out <pathname>");
    if((fpin = fopen(argv[], "r")) == NULL)
        err_sys("can't open %s", argv[]);

    if((fpout = popen(PAGER, "w")) == NULL)
        err_sys("popen error");

    /* copy argv[1] to pager */
    while(fgets(line, MAXLINE, fpin) != NULL)
    {
        if(fputs(line, fpout) == EOF)
            err_sys("fputs error to pipe");
    }
    if(ferror(fpin))
        err_sys("fgets error");
    if(pclose(fpout) == -)
        err_sys("pclose error");

    exit();
}

使用popen减少了需要编写的代码量。

shell命令${PAGER:-more}的意思是：如果shell变量PAGER已经定义，且其值非空，则使用其值，否则使用字符串more。

实例：popen和pclose函数

程序清单15-5是我们编写的popen和pclose版本。

程序清单15-5 popen和pclose函数

#include "apue.h"
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>

/*
* Pointer to array allocated at run-time.
*/
static pid_t    *childpid = NULL;

/*
* From our open_max(), open_max（）函数见http://www.cnblogs.com/nufangrensheng/p/3496323.html中的程序清单2-4。
*/
static int maxfd;

FILE *
popen(const char *cmdstring, const char *type)
{
    int      i;
    int      pfd[];
    pid_t    pid;
    FILE    *fp;

    /* only allow "r" or "w" */
    if((type[] != 'r' &&  type[] != 'w') || type[] != )
    {
        errno = EINVAL;    /* required by POSIX */
        return(NULL);
    }

    if(childpid == NULL)    /* first time through */
    {
        /* allocate zerod out array for child pids */
        maxfd = open_max();
        if((childpid = calloc(maxfd, sizeof(pid_t))) == NULL)
            return(NULL);
    }

    if(pipe(pfd) < )
        return(NULL);    /* errno set by pipe() */

    if((pid = fork()) < )
    {
        return(NULL);    /* error set by fork() */
    }
    else if(pid == )
    {
        if(*type == 'r')
        {
            close(pfd[]);
            if(pfd[] != STDOUT_FILENO)
            {
                dup2(pfd[], STDOUT_FILENO);
                close(pfd[]);
            }
        }
        else
        {
            close(pfd[]);
            if(pfd[] != STDIN_FILENO)
            {
                dup2(pfd[], STDIN_FILENO);
                close(pfd[]);
            }
        }

        /* close all descriptors in childpid[] */
        for(i=; i < maxfd; i++)
            if(childpid[i] > )
                close(i);

        execl("/bin/sh", "sh", "-c", cmdstring, (char *));
        _exit();
    }

    /* parent continues... */
    if(*type == 'r')
    {
        close(pfd[]);
        if((fp = fdopen(pfd[], type)) == NULL)
            return(NULL);
    }
    else
    {
        close(pfd[]);
        if((fp = fdopen(pfd[], type)) == NULL)
            return(NULL);
    }

    childpid[fileno(fp)] = pid;    /* remeber child pid for this fd */
    return(fp);
}

int
pclose(FILE *fp)
{
    int      fd, stat;
    pid_t    pid;

    if(childpid == NULL)
    {
        errno = EINVAL;
        return(-);    /* popen() has never been called */
    }

    fd = fileno(fp);
    if((pid = childpid[fd]) = )
    {
        errno = EINVAL;
        return(-);    /*  fp wasn't opened by popen() */
    }

    childpid[fd] = ;
    if(fclose(fp) == EOF)
        return(-);

    while(waitpid(pid, &stat, ) < )
        if(errno != EINTR)
            return(-);    /* error other than EINTR from waitpid() */

    return(stat);        /* return child's termination status */
}

这里有许多需要考虑的细节：首先，每次调用popen时，应当记住所创建的子进程的进程ID，以及其文件描述符或FILE指针。我们选择在数组childpid中保存子进程ID，并用文件描述符作为其下标。于是，当以FILE指针作为参数调用pclose时，我们调用标准I/O函数fileno得到文件描述符，然后取得子进程ID，并用其作为参数调用waitpid。因为一个进程可能调用popen多次，所以在动态分配childpid数组时（第一次调用popen时），其数组长度应当是最大文件描述符数，于是该数组中可以存放与最大文件描述符数相同的子进程。

POSIX.1要求子进程 关闭在之前调用popen时打开且当前仍旧打开的所有I/O流。为此，在子进程中从头逐个检查childpid数组的各元素，关闭仍旧打开的任何描述符。

若pclose的调用者已经为信号SIGCHLD设置了一个信号处理程序，则pclose中的waitpid调用将返回一个EINTR。因为允许调用者捕捉此信号（或者任何其他可能中断waitpid调用的信号），所以当waitpid被一个捕捉到的信号中断时，我们只是再次调用waitpid。

注意，如果应用程序调用waitpid，并且获得popen所创建的子进程的终止状态，则在应用程序调用pclose时，其中将调用waitpid，它发现子进程已不再存在，此时返回-1，errno被设置为ECHILD。

注意，popen绝不应由设置用户ID或设置用户组ID程序调用。当它执行命令时，popen等同于：

execl("/bin/sh", "sh", "-c", command, NULL);

它在从调用者继承的环境中执行shell，并由shell解释执行command。一个心怀不轨的用户可以操纵这种环境，使得shell能以设置ID文件模式所授予的提升了的权限以及非预期的方式执行命令。

popen特别适用于构造简单的过滤器程序，它变换运行命令的输入或输出。当命令希望构造它自己的管道线时，就是这种情形。

实例

考虑一个应用程序，它向标准输出写一个提示，然后从标准输入读1行。使用popen，可以在应用程序和输入之间插入一个程序以便对输入进行变换处理。图15-7显示了为此做的进程安排。

                            图15-7 用popen对输入进行变换处理

对输入进行的变化可能是路径名扩充，或者是提供一种历史机制（记住以前输入的命令）。

程序清单15-6是一个简单的过滤程序，它只是将标准输入复制到标准输出，在复制时，将所有大写字符变换为小写字符。在写了一行以后，对标准输出进行了冲洗（用fflush），其理由可参考进程间通信之协同进程。

程序清单15-6 将大写字符转换成小写字符的过滤程序

#include "apue.h"
#include <ctype.h>

int
main(void)
{
    int c;

    while((c = getchar()) != EOF)
    {
        if(isupper(c))
            c = tolower(c);
        if(putchar(c) == EOF)
            err_sys("output error");
        if(c == '\n')
            fflush(stdout);
    }
    exit();
}

对该过滤程序进行编译，其可执行目标代码放在文件myuclc中（也就是编译后的可执行文件名为myuclc），然后在程序清单15-7中用popen调用它们。

程序清单15-7 调用大写/小写过滤程序以读取命令

#include "apue.h"
#include <sys/wait.h>

int
main(void)
{
    char    line[MAXLINE];
    FILE    *fpin;

    if((fpin = popen("/home/zhu/apue/myuclc", "r")) == NULL)
        err_sys("popen error");
    for(;;)
    {
        fputs("prompt> ", stdout);
        fflush(stdout);
        if(fgets(line, MAXLINE, fpin) == NULL)    /* read from pipe */
            break;
        if(fputs(line, stdout) == EOF)
            err_sys("fputs error to pipe");
    }
    if(pclose(fpin) == -)
        err_sys("pclose error");
    putchar('\n');
    exit();
}

因为标准输出通常是行缓冲的，而提示符并不包括换行符，所以在写了提示之后，需要调用fflush。

本篇博文内容摘自《UNIX环境高级编程》（第二版），仅作个人学习记录所用。关于本书可参考：http://www.apuebook.com/。