Linux进程间通信 -- 管道(pipe)

前言

   进程是一个独立的资源管理单元，不同进程间的资源是独立的，不能在一个进程中访问另一个进程的用户空间和内存空间。但是，进程不是孤立的，不同进程之间需要信息的交互和状态的传递，因此需要进程间数据的传递、同步和异步的机制。

    当然，这些机制不能由哪一个进程进行直接管理，只能由操作系统来完成其管理和维护，Linux提供了大量的进程间通信机制，包括同一个主机下的不同进程和网络主机间的进程通信，如下图所示：

• 同主机间的信息交互：

• 无名管道：
  
  特点：多用于亲缘关系进程间通信，方向为单向；为阻塞读写；通信进程双方退出后自动消失
  
  问题：多进程用同一管道通信容易造成交叉读写的问题
• 有名管道：
  
  FIFO(First In First Out),方向为单向(双向需两个FIFO)，以磁盘文件的方式存在；通信双方一方不存在则阻塞
• 消息队列：
  
  可用于同主机任意多进程的通信，但其可存放的数据有限，应用于少量的数据传递
• 共享内存：
  
  可实现同主机任意进程间大量数据的通信，但多进程对共享内存的访问存在着竞争

• 同主机进程间同步机制：信号量(Semaphore)
• 同主机进程间异步机制：信号(Signal)
• 网络主机间数据交互：Socket(套接字)

1. 无名管道

1). 概念

    无名管道是一类特殊的文件，在内核中对应着一段特殊的内存空间，内核在这段内存空间中以循环队列的方式存储数据；

   无名管道的内核资源在通信双方退出后自动消失，无需人为回收；

   无名管道主要用于连通亲缘进程(父子进程)，用于双方的快捷通信，通信为单向通信

2). 操作

1. 创建：

pipe()

• 头文件：

      #include <unistd.h>
  

• 函数原型：

      int pipe(int pipedes[2])
  

• 参数：

pipedes[2]：存储文件描述符

• 返回值：
  
  成功：0
  
  失败：-1

2. 读写：

读进程	写进程	管道无数据	管道有数据
阻塞√		立刻返回0	返回数据
阻塞√	√	读阻塞	读数据并返回
	阻塞√	收到SIGPIPE信号，write返回-1
√	阻塞√	写入	若满，阻塞等待

3. 重定向：

  所谓重定向，即关闭某个标准I/O设备(stdin(0), stdout(1), stderr(2)), 而将某一个普通的文件描述符设置为0/1/2.

  重定向，主要是采用 dup函数来实现的：

• dup函数：
  
  

• 作用：
  
  复制文件描述符

• 头文件：

      #include <unistd.h>
  

• 函数原型：

  函数	原型	描述
  dup	int dup(int oldfd)	复制oldfd文件表项，并返回未用的最小值描述符
  dup2	int dup2(int oldfd, int newfd)	复制oldfd文件表项到newfd,newfd为用户自定义值，而后关闭oldfd

• 参数：

oldfd：源文件的描述符(要求该文件描述符必须有效，文件必须处于打开状态)

newfd：新的文件描述符，个人理解为oldfd的软链接

• 返回值：
  
  成功：最小值文件描述符(dup) / newfd的值(dup2)
  
  失败：-1

2. 有名管道

1). 概念

 又称FIFO(Fisrt In First out), 是磁盘上的一个特殊文件，没有在磁盘存储真正的信息，其所存储的信息在内存中

 通信双方进程结束后，自动丢弃FIFO中的信息，但其在磁盘的文件路径本身依然存在

2). 操作

1. 创建 - mkfifo()

• 头文件：

      #include <sys/stat.h>
  

• 函数原型：

      int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode)
  

• 参数：

pathname: FIFO文件

mode: 创建文件的属性(权限)

• 返回值：
  
  成功：0
  
  失败：-1

2. 读写：

读进程	写进程	FIFO无数据	FIFO有数据
	√	阻塞	阻塞
√		阻塞	阻塞
√	√	写入	读出(未满，读写同时)
√	√x	即写中途退出，读直接返回0	same
√x	√	读中途退出，写返回SIGPIPE	same

3. 补充

access函数

• 作用：
  
  检查用户(进程)对文件的权限

• 头文件：

      #include <unistd.h>
  

• 函数原型：

      int access(const char *pathname, int mode)
  

• 参数：

pathname: 即文件名

mode：测试的属性

mode	description
F_OK	该文件是否存在
R_OK	可读
W_OK	可写
X_OK	可执行
bitwise	属性(读/写/执行等)

• 返回值：
  
  成功：0
  
  失败：-1

4. 代码示例

1). PIPE

/*
 * Filename: pipe.c
 */

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>     //for pipe()
#include <string.h>     //for memset()
#include <stdlib.h>     //for exit()

int main()
{
    int fd[2];
    char buf[20];
    if(-1 == pipe(fd))
    {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    write(fd[1], "hello,world", 12);
    memset(buf, '\0', sizeof(buf));

    read(fd[0], buf, 12);
    printf("The message is: %s\n", buf);

    return 0;
}

2). FIFO

程序的步骤：

1. 创建一个新的fifo文件
2. fifo_snd.c文件负责向fifo中写入数据
3. fifo_rcv.c负责从fifo中读取数据并打印

1. fifo_snd.c:

/*
 *File: fifo_send.c
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <fcntl.h>

#define FIFO "/tmp/my_fifo"

int main()
{
    char buf[] = "hello,world";

    //`. check the fifo file existed or not
    int ret;
    ret = access(FIFO, F_OK);
    if(ret == 0)    //file /tmp/my_fifo existed
    {
        system("rm -rf /tmp/my_fifo");
    }

    //2. creat a fifo file
    if(-1 == mkfifo(FIFO, 0766))
    {
        perror("mkfifo");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //3.Open the fifo file
    int fifo_fd;
    fifo_fd = open(FIFO, O_WRONLY);
    if(-1 == fifo_fd)
    {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);

    }

    //4. write the fifo file
    int num = 0;
    num = write(fifo_fd, buf, sizeof(buf));
    if(num < sizeof(buf))
    {
        perror("write");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("write the message ok!\n");

    close(fifo_fd);

    return 0;
}

2. fifo_rcv.c:

/*
 *File: fifo_rcv.c
 */

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

#define FIFO "/tmp/my_fifo"

int main()
{
    char buf[20] ;
    memset(buf, '\0', sizeof(buf));

    //`. check the fifo file existed or not
    int ret;
    ret = access(FIFO, F_OK);
    if(ret != 0)    //file /tmp/my_fifo existed
    {
        fprintf(stderr, "FIFO %s does not existed", FIFO);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //2.Open the fifo file
    int fifo_fd;
    fifo_fd = open(FIFO, O_RDONLY);
    if(-1 == fifo_fd)
    {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);

    }

    //4. read the fifo file
    int num = 0;
    num = read(fifo_fd, buf, sizeof(buf));

    printf("Read %d words: %s\n", num, buf);

    close(fifo_fd);

    return 0;
}