管道(pipe)

管道概念

  Linux下一切皆文件，我们可以创建一个管道文件进行通信，实际上是调用pipe函数在内核中开辟一块缓冲区（称为管道）用于通信，使不同的进程看到同一份资源，管道是一种最基本的IPC机制，由pipe函数创建 。下面我们将看到两种管道-匿名管道及命名管道的实现

匿名管道通信的实现

  它有一个读端一个写端,然后通过filedes参数传出给用户程序两个文件描述符,filedes[0]指向管道的读端,filedes[1]指向管道的写端(很好记,就像0是标准输入1是标准输出一样)。所以管道在用户程序看起来就像一个打开的文件,通过read(filedes[0]);或者write(filedes[1]);向这个文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。pipe函数调⽤用成功返回0,调⽤用失败返回-1。

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

  我们可以看到pipe函数的定义非常特别，该函数在数组中墙上两个新的文件描述符后返回0，如果返回返回-1，并设置errno来说明失败原因。

  数组中的两个文件描述符以一种特殊的方式连接起来，数据基于先进先出的原则，写到_pipe[1]的所有数据都可以从_pipe[0]读回来。由于数据基于先进先出的原则，所以读取的数据和写入的数据是一致的。

特别提醒：

pipe是基于文件描述符工作的，所以在使用pipe后，数据必须要用底层的read和write调用来读取和发送。不要用_pipe[0]写数据，也不要用_pipe[1]读数据，其行为未定义的，但在有些系统上可能会返回-1表示调用失败。数据只能从_pipe[0]中读取，数据也只能写入到_pipe[1]，不能倒过来。

首先，我们在原先的进程中创建一个管道，然后再调用fork创建一个新的进程，最后通过管道在两个进程之间传递数据。父进程进行读操作，子进程进行写操作。代码如下：

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <sys/wait.h> int main() { int _pipe[2]; int ret = pipe(_pipe); if(ret == -1) { printf("creat pipe error!errno code is:%d\n",errno); return 1; } pid_t id = fork(); if(id < 0) { printf("fork error!"); return 2; } else if(id==0)//child { close(_pipe[0]);//关掉读 int i = 0; char* buf = NULL; while(i<20) { if(i<10) { buf = " i am child!"; write(_pipe[1], buf,strlen(buf)+1);//写入 } sleep(1); i++; } } else//father { close(_pipe[1]);//关掉写 char buf[100]; int j = 0; while(j<3) //读取三次 { memset(buf,'\0',sizeof(buf));//清空buf int ret = read(_pipe[0],buf,sizeof(buf));//读出 printf("%s:code is %d\n",buf,ret); j++; } close(_pipe[0]); } return 0; }

命名管道（双向管道）

  上述匿名管道存在一个很大的缺陷，那就是匿名管道只能用于父子进程或者说有血缘关系的进程之间，命名管道的存在就是为了解决这个缺陷。

  命名管道也被称为FIFO文件，它是一种特殊类型的文件，它在文件系统中以文件名的形式存在，但是它的行为却和之前所讲的没有名字的管道（匿名管道）类似。

  Linux中所有的事物都可被视为文件，所以对命名管道的使用也就变得与文件操作非常的统一，也使它的使用非常方便，同时我们也可以像平常的文件名一样在命令中使用。

#include<sys/types.h> #include<sys/stat.h> int mkfifo(const char *pathname,mode_t mode);

打开FIFO文件通常有四种方式：

1. open(const char *path, O_RDONLY); 2. open(const char *path, O_RDONLY | O_NONBLOCK); 3. open(const char *path, O_WRONLY); 4. open(const char *path, O_WRONLY | O_NONBLOCK);

在open函数的调用的第二个参数中，选项O_NONBLOCK表示非阻塞，加上这个选项后，表示open调用是非阻塞的，如果没有这个选项，则表示open调用是阻塞的。

open调用的阻塞是什么一回事呢？很简单，对于以只读方式（O_RDONLY）打开的FIFO文件，如果open调用是阻塞的（即第二个参数为O_RDONLY），除非有一个进程以写方式打开同一个FIFO，否则它不会返回；如果open调用是非阻塞的的（即第二个参数为O_RDONLY | O_NONBLOCK），则即使没有其他进程以写方式打开同一个FIFO文件，open调用将成功并立即返回。

对于以只写方式（O_WRONLY）打开的FIFO文件，如果open调用是阻塞的（即第二个参数为O_WRONLY），open调用将被阻塞，直到有一个进程以只读方式打开同一个FIFO文件为止；如果open调用是非阻塞的（即第二个参数为O_WRONLY | O_NONBLOCK），open总会立即返回，但如果没有其他进程以只读方式打开同一个FIFO文件，open调用将返回-1，并且FIFO也不会被打开。

我们来写两个程序，server和client，让他们通过管道文件实现通信。

server.c

#include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <fcntl.h> #include <limits.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <stdio.h> #include <string.h> int main() { const char *fifo_name = "/tmp/my_fifo"; int pipe_fd = -1; int data_fd = -1; int res = 0; const int open_mode = O_WRONLY; int bytes_sent = 0; char buffer[PIPE_BUF + 1]; if(access(fifo_name, F_OK) == -1) { //管道文件不存在 //创建命名管道 res = mkfifo(fifo_name, 0777); if(res != 0) { fprintf(stderr, "Could not create fifo %s\n", fifo_name); exit(EXIT_FAILURE); } } printf("Process %d opening FIFO O_WRONLY\n", getpid()); //以只写阻塞方式打开FIFO文件，以只读方式打开数据文件 pipe_fd = open(fifo_name, open_mode); data_fd = open("Data.txt", O_RDONLY); printf("Process %d result %d\n", getpid(), pipe_fd); if(pipe_fd != -1) { int bytes_read = 0; //向数据文件读取数据 bytes_read = read(data_fd, buffer, PIPE_BUF); buffer[bytes_read] = '\0'; while(bytes_read > 0) { //向FIFO文件写数据 res = write(pipe_fd, buffer, bytes_read); if(res == -1) { fprintf(stderr, "Write error on pipe\n"); exit(EXIT_FAILURE); } //累加写的字节数，并继续读取数据 bytes_sent += res; bytes_read = read(data_fd, buffer, PIPE_BUF); buffer[bytes_read] = '\0'; } close(pipe_fd); close(data_fd); } else exit(EXIT_FAILURE); printf("Process %d finished\n", getpid()); exit(EXIT_SUCCESS); }

client.c

#include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <limits.h> #include <string.h> int main() { const char *fifo_name = "/tmp/my_fifo"; int pipe_fd = -1; int data_fd = -1; int res = 0; int open_mode = O_RDONLY; char buffer[PIPE_BUF + 1]; int bytes_read = 0; int bytes_write = 0; //清空缓冲数组 memset(buffer, '\0', sizeof(buffer)); printf("Process %d opening FIFO O_RDONLY\n", getpid()); //以只读阻塞方式打开管道文件，注意与fifowrite.c文件中的FIFO同名 pipe_fd = open(fifo_name, open_mode); //以只写方式创建保存数据的文件 data_fd = open("DataFormFIFO.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644); printf("Process %d result %d\n",getpid(), pipe_fd); if(pipe_fd != -1) { do { //读取FIFO中的数据，并把它保存在文件DataFormFIFO.txt文件中 res = read(pipe_fd, buffer, PIPE_BUF); bytes_write = write(data_fd, buffer, res); bytes_read += res; }while(res > 0); close(pipe_fd); close(data_fd); } else exit(EXIT_FAILURE); printf("Process %d finished, %d bytes read\n", getpid(), bytes_read); exit(EXIT_SUCCESS); }