【Linux系统编程】进程间通信之无名管道

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。