LLinux系统编程（10）——进程间通信之管道

管道是Linux中很重要的一种通信方式,是把一个程序的输出直接连接到另一个程序的输入,常说的管道多是指无名管道,无名管道只能用于具有亲缘关系的进程之间，这是它与有名管道的最大区别。有名管道叫named pipe或者FIFO(先进先出)。

管道具有以下特点：

1、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；

2、只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）；

3、单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。

4、数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

注意：从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读，它就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据。

管道的创建：

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2])

该函数创建的管道的两端处于一个进程中间，在实际应用中没有太大意义，因此，一个进程在由pipe()创建管道后，一般再fork一个子进程，然后通过管道实现父子进程间的通信（因此也不难推出，只要两个进程中存在亲缘关系，这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式来进行通信）。

管道的读写规则：

管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字fd[1]来表示，称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道，如close、read、write等等。

从管道中读取数据：

如果管道的写端不存在，则认为已经读到了数据的末尾，读函数返回的读出字节数为0；

当管道的写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF，则返回管道中现有的数据字节数，如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF，则返回管道中现有数据字节数（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）。

管道写端关闭后，写入的数据将一直存在，直到读出为止。

下面的代码说明管道的读取规则：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
main()
{
         intpipe_fd[2];
         pid_tpid;
         charr_buf[100];
         charw_buf[4];
         char*p_wbuf;
         intr_num;
         intcmd;
        
         memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
         memset(w_buf,0,sizeof(r_buf));
         p_wbuf=w_buf;
         if(pipe(pipe_fd)<0)
         {
                   printf("pipecreate error
");
                   return-1;
         }
        
         if((pid=fork())==0)
         {
                   printf("
");
                   close(pipe_fd[1]);
                   sleep(3);//确保父进程关闭写端
             r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,100);
printf(       "readnum is %d   the data read from the pipeis %d
",r_num,atoi(r_buf));
                  
                   close(pipe_fd[0]);
                   exit();
         }
         elseif(pid>0)
         {
         close(pipe_fd[0]);//read
         strcpy(w_buf,"111");
         if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!=-1)
                   printf("parentwrite over
");
         close(pipe_fd[1]);//write
                   printf("parentclose fd[1] over
");
         sleep(10);
         }       
}

向管道中写入数据：

向管道中写入数据时，linux将不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。

注：只有在管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIFPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略（默认动作则是应用程序终止）。

下面的代码说明管道的写规则：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main()
{
         intpipe_fd[2];
         pid_tpid;
         charr_buf[4];
         char*w_buf;
         intwritenum;
         intcmd;
        
         memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
         if(pipe(pipe_fd)<0)
         {
                   printf("pipecreate error
");
                   return-1;
         }
        
         if((pid=fork())==0)
         {
                   close(pipe_fd[0]);
                   close(pipe_fd[1]);
                   sleep(10);        
                   exit();
         }
         elseif(pid>0)
         {
         sleep(1);  //等待子进程完成关闭读端的操作
         close(pipe_fd[0]);//write
         w_buf="111";
         if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4))==-1)
                   printf("writeto pipe error
");
         else 
                   printf("thebytes write to pipe is %d 
", writenum);
        
         close(pipe_fd[1]);
         }       
}

下面的代码演示了无名管道用于具有亲缘关系的进程间通信。

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main()
{
         intpipe_fd[2];
         pid_tpid;
         charr_buf[4];
         char**w_buf[256];
         intchildexit=0;
         inti;
         intcmd;
        
         memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
         if(pipe(pipe_fd)<0)
         {
                   printf("pipecreate error
");
                   return-1;
         }
         if((pid=fork())==0)
         //子进程：解析从管道中获取的命令，并作相应的处理
         {
                   printf("
");
                   close(pipe_fd[1]);
                   sleep(2);
                  
                   while(!childexit)
                   {       
                            read(pipe_fd[0],r_buf,4);
                            cmd=atoi(r_buf);
                            if(cmd==0)
                            {
printf("child: receive command fromparent over
 now child process exit
");
                                     childexit=1;
                            }
                           
                          else if(handle_cmd(cmd)!=0)
                                     return;
                            sleep(1);
                   }
                   close(pipe_fd[0]);
                   exit();
         }
         elseif(pid>0)
         //parent:send commands to child
         {
         close(pipe_fd[0]);
         w_buf[0]="003";
         w_buf[1]="005";
         w_buf[2]="777";
         w_buf[3]="000";
         for(i=0;i<4;i++)
                   write(pipe_fd[1],w_buf[i],4);
         close(pipe_fd[1]);
         }       
}
//下面是子进程的命令处理函数（特定于应用）：
int handle_cmd(int cmd)
{
if((cmd<0)||(cmd>256))
//suppose child only support 256 commands
         {
         printf("child:invalid command 
");
         return-1;
         }
printf("child: the cmd from parent is%d
", cmd);
return 0;
}

管道的主要局限性正体现在它的特点上：

只支持单向数据流；

只能用于具有亲缘关系的进程之间；

没有名字；

管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；

管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等；