进程间通信IPC——管道（匿名管道）

管道

• • 1、概念
  • 2、特性
  • 3、接口
  • 4、管道读写规则
  • 5、示例

1、概念

管道是个伪文件，本质上是内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区实现。

2、特性

1）特征

• 管道本质为内核缓冲区，用户态来看是一个伪文件
• 由于是伪文件，所以对于管道有两个文件描述符印用，一个表示读端，一个表示写端
• 管道是基于字节流实现通信的
• 管道依赖于文件系统，其生命周期随进程
• 管道本身自带同步互斥
• fork()进程的时候，子进程会继承父进程的管道与其描述符

2）局限性

• 管道采用半双工通信方式，数据只能在单方向上流动
• 管道中数据不可反复读取。一旦读走，管道中不再存在
• 管道必须作用于有血缘关系的进程之间

注意：
由于管道是借助内核缓冲区(4k)实现。所以，向管道中写入数据的大小要控制不能超过 pipe_buf[ ] (4096个字节)
查看内核缓冲区大小通过 ulimit -a 命令查看

3、接口

UNIX中创建匿名管道的函数如下：

#include <unistd.h>

int pipe(int filedes[2]);

返回：
    成功： 0
    失败：-1

参数：
	filedes[2]：文件描述符数组

通过调用pipe函数，管道会产生两个文件描述符：

• fds[0] 读取数据
• fds[1] 写入数据

从文件描述符角度看管道：

4、管道读写规则

1）读管道

• 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。
• 管道中没有数据：
  （1）管道写端被全部关闭，read读完管道中剩余数据后会返回0 (好像读到文件结尾)
  （2）写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)

2）写管道

• 读端全部被关闭，写端执行写时进程会异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)
• 管道读端没有全部关闭：
  （1）管道已满，write阻塞
  （2）管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数

5、示例

示例一：从键盘读取数据，写⼊入管道，读取管道，写到屏幕

/*************************************************************************
    > File Name: pipe.c
    > Describ: 从键盘读取数据，写入管道，读取管道，写到屏幕
    > Author: hang
    > Mail: [e-mail] 
    > Created Time: Wed 26 Feb 2018 11:03:30 PM CST
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>

int main(void)
{
    int fds[2];
    char buf[100];
    int len;

    if(pipe(fds) == -1)
    {
        perror("make pipe");
        exit(1);
    }

    //read from stdin
    while(fgets(buf, 100, stdin)){
        len = strlen(buf);
        //写入管道
        if(write(fds[1], buf, len) != len){
            perror("write to pipe");
            break;
        }
        memset(buf, 0x00, sizeof(buf));

        //读取管道
        if((len=read(fds[0], buf, 100)) == -1){
            perror("read from pipe");
            break;
        }

        //write to stdout
        if(write(1, buf, len) != len){
            perror("write to stdout");
            break;
        }
    }

    return 0;
}

程序运行结果如下：

示例二：使用管道实现父子进程间通信，完成：ls | wc –l。假定父进程实现ls，子进程实现wc。

/*************************************************************************
    > File Name: pipe_ls_wc.c
    > Describ: 使用管道实现父子进程间通信，完成：ls | wc –l
    > Author: hang
    > Mail: [e-mail] 
    > Created Time: Wed 26 Feb 2018 11:12:30 PM CST
 ************************************************************************/

// 利用管道进行通信
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>

int main(void)
{
    int fds[2];
    if(pipe(fds) < 0) // 创建管道
    {   
        perror("pipe error");
        exit(1);
    }   
            
    pid_t pid = fork(); // 创建子进程
    if(pid<0)
    {   
        perror("fork error");
        exit(1);
    }else if(pid==0) // 子进程
    {             
        close(fds[0]);   // 关闭读
        dup2(fds[1], STDOUT_FILENO);// 输出定位到管道的写端
        close(fds[1]);  // 关闭写端
        execlp("ls", "ls", NULL); // 用ls程序替换当前进程
        perror("execlp error");
        exit(1);
    }else
    {
        close(fds[1]);  // 关闭管道的写端
        dup2(fds[0], STDIN_FILENO);// 将父进程的输入重定向到管道的读端
        close(fds[0]);  // 关闭管道的读端
        execlp("wc", "wc", "-l", NULL); // wc替换
        perror("execlp error");
        exit(1);
    }
}

程序运行结果如下：

分析：