Linux系统编程之匿名管道

1.进程间通信介绍

1.1 进程通信的基本概念

在之前我们已经学习过进程地址空间。Linux 环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，Inter Process Communication）。

1.2 为什么要进程间通信

进程通信主要有以下目的：

• 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。
• 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。
• 通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
• 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

1.3 常见的进程通信方式

在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法，如今常见的进程间通信方式有：

① 管道 (分为匿名管道与命名管道)

​ ② 信号 (开销最小)

​ ③ 共享内存

2.管道

2.1管道简介

管道是Unix中最古老的进程间通信方式，我们把从一个进程连接到另一个进程的数据流叫做管道。

在Linux中，| 符号被用来代表管道。因为在Linux中，不同的命令，如ps，ls，grep等命令的本质都是可执行程序，| 前面的命令前面的命令通常会输出大量的结果，这些结果将会交由 | 后面的命令继续处理。

如下面这个命令就是将ps axj中含有PID的结果输出：

2.2 管道的创建和应用

管道的本质是内核中一块供不同进程进行读写的缓冲区，而外在的操作形式是通过文件读写的方式进行。

#include <unistd.h>
功能:创建一无名管道
原型
int pipe(int fd[2]);
参数
fd：文件描述符数组,这是一个输出型参数，调用该接口后，将会给fd[2]数组分配两个文件描述符，两个文件描述符分别对应管道的读写两端。其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值:成功返回0，失败返回错误代码

我们先用一个简单的例子来看一下管道的创建：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
int main()
{
	int fd[2];
	int ret=pipe(fd);
	if(-1==ret)
	{
		std::cout<<"管道创建失败!"<<std::endl;
	}
	std::cout<<"fd[0]:"<<fd[0]<<std::endl<<"fd[1]:"<<fd[1]<<std::endl;
	return 0;
}

运行后：

可以看到，此时fd[0]和fd[1]返回了两个文件描述符。这两个文件描述符分别分别对应管道的读写两端。

#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/stat.h>
#include<stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
  int fd[2];
  pipe(fd);
  pid_t pid = fork();
  if(pid < 0)
  {
    printf("fork error!");
  }else if(pid == 0)
  {
    //child
    close(fd[0]);
    char str[100];
    while(1)
    {
      printf("child:");
      fgets(str, 100, stdin);
      ssize_t len = strlen(str);
      if(write(fd[1], str, len) != len)
      {
        perror("write to pipe");
        exit(1);
      }
      memset(str, 0, len);
      sleep(1);
    }
  }
  //father
  int count = 0;
  close(fd[1]);
  while(count < 10)
  {
    char str[100];
    ssize_t s = read(fd[0], str, 100);
    if(s < 0){
      perror("read from pipe");
      break;
    }else{
      printf("father:%s", str);
    }
    memset(str, 0, strlen(str));
  }
  return 0;
}

上面这段代码实现了子进程写入管道，父进程读出的过程。

2.3 管道的底层机制

管道是在有血缘关系的进程之间来通信的，如父子进程，兄弟进程等。因此，应用匿名管道时一定会有fork函数的参与。

如下面这个简化图可以看到，

1. 父进程先使用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符 fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。

2. 父进程调用fork创建子进程，此时父子进程有相同的struct files_struct，父子进程指向的struct file又指向了同一片文件缓冲区。（注意：这个表述并不严谨，我们下面马上就会讲到）

3. 接下来父进程关闭写端，子进程关闭读端，就可以实现子进程向管道中写，父进程读。注意：管道的通信是单向的！！！！

在 Linux 中，管道的实现并没有使用专门的数据结构，而是借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。通过将两个 file struct指向同一个临时的 inode，而这个 VFS 索引节点又指向一个物理页面而实现的。

如上图所示，有两个 file 数据结构，但它们定义文件操作例程地址是不同的，其中一个是向管道中写入数据的例程地址，而另一个是从管道中读出数据的例程地址。

这样，用户程序的系统调用仍然是通常的文件操作，而内核却利用这种抽象机制实现了管道这一特殊操作。看待管道，就如同看待文件一样！管道的使用和文件一致，迎合了“Linux一切皆文件思想”。

2.4 管道读写规则

用阻塞的方式打开管道（即默认情况下）

1. 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭（管道写端引用计数为 0），读端在将管道中剩余数据读取后，再次read会返回0。（写端关闭）

2. 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭，且持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次 read 会阻塞。（读完不写）

3. 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为 0），进行write操作会产生信号SIGPIPE,进而可能导致write进程退出。（读端关闭）

4. 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于 0），且读端进程并没有向管道中读进程，则当写端进程写满后，会进入阻塞。（写满不读）

2.5 管道的特点

• 只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信。
• 管道提供流式服务。
• 管道的生命周期随进程，进程退出，管道释放。
• 内核会对管道操作进行同步与互斥。
• 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
• 管道大小为65536 byte