Linux环境进程间通信(一)：管道及有名管道

管道及有名管道在本系列序中作者概述了linux进程间通信的几种主要手段。其中管道和有名管道是最早的进程间通信机制之一，管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信。认清管道和有名管道的读写规则是在程序中应用它们的关键，本文在详细讨论了管道和有名管道的通信机制的基础上，用实例对其读写规则进行了程序验证，这样做有利于增强读者对读写规则的感性认识，同时也提供了应用范例。1、管道概述及相关API应用1.1管道相关的关键概念管道是Linux支持的最初UnixIPC形式之一，具有以下特点：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；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）；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。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。1.2管道的创建：#includeunistd.hintpipe(intfd[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）。1.3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）。注：（PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定义，不同的内核版本可能会有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少为512字节，redhat7.2中为4096）。关于管道的读规则验证：/***************readtest.c***************/#includeunistd.h#includesys/types.h#includeerrno.hmain(){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(pipecreateerror\n);return-1;}if((pid=fork())==0){printf(\n);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(readnumis%dthedatareadfromthepipeis%d\n,r_num,atoi(r_buf));close(pipe_fd[0]);exit();}elseif(pid0){close(pipe_fd[0]);//readstrcpy(w_buf,111);if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!=-1)printf(parentwriteover\n);close(pipe_fd[1]);//writeprintf(parentclosefd[1]over\n);sleep(10);}}/***************************************************程序输出结果：*parentwriteover*parentclosefd[1]over*readnumis4thedatareadfromthepipeis111*附加结论：*管道写端关闭后，写入的数据将一直存在，直到读出为止.****************************************************/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）。对管道的写规则的验证1：写端对读端存在的依赖性#includeunistd.h#includesys/types.hmain(){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(pipecreateerror\n);return-1;}if((pid=fork())==0){close(pipe_fd[0]);close(pipe_fd[1]);sleep(10);exit();}elseif(pid0){sleep(1);//等待子进程完成关闭读端的操作close(pipe_fd[0]);//writew_buf=111;if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4))==-1)printf(writetopipeerror\n);elseprintf(thebyteswritetopipeis%d\n,writenum);close(pipe_fd[1]);}}则输出结果为：Brokenpipe,原因就是该管道以及它的所有fork()产物的读端都已经被关闭。如果在父进程中保留读端，即在写完pipe后，再关闭父进程的读端，也会正常写入pipe，读者可自己验证一下该结论。因此，在向管道写入数据时，至少应该存在某一个进程，其中管道读端没有被关闭，否则就会出现上述错误（管道断裂,进程收到了SIGPIPE信号，默认动作是进程终止）对管道的写规则的验证2：linux不保证写管道的原子性验证#includeunistd.h#includesys/types.h#includeerrno.hmain(intargc,char**argv){intpipe_fd[2];pid_tpid;charr_buf[4096];charw_buf[4096*2];intwritenum;intrnum;memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));if(pipe(pipe_fd)0){printf(pipecreateerror\n);return-1;}if((pid=fork())==0){close(pipe_fd[1]);while(1){sleep(1);rnum=read(pipe_fd[0],r_buf,1000);printf(child:readnumis%d\n,rnum);}close(pipe_fd[0]);exit();}elseif(pid0){close(pipe_fd[0]);//writememset(r_buf,0,sizeof(r_buf));if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,1024))==-1)printf(writetopipeerror\n);elseprintf(thebyteswritetopipeis%d\n,writenum);writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4096);close(pipe_fd[1]);}}输出结果：thebyteswritetopipe1000thebyteswritetopipe1000//注意，此行输出说明了写入的非原子性thebyteswritetopipe1000thebyteswritetopipe1000thebyteswritetopipe1000thebyteswritetopipe120//注意，此行输出说明了写入的非原子性thebyteswritetopipe0thebyteswritetopipe0......结论：写入数目小于4096时写入是非原子的！如果把父进程中的两次写入字节数都改为5000，则很容易得出下面结论：写入管道的数据量大于4096字节时，缓冲区的空闲空间将被写入数据（补齐），直到写完所有数据为止，如果没有进程读数据，则一直阻塞。1.4管道应用实例：实例一：用于shell管道可用于输入输出重定向，它将一个命令的输出直接定向到另一个命令的输入。比如，当在某个shell程序（Bourneshell或Cshell等）键入who│wc-l后，相应shell程序将创建who以及wc两个进程和这两个进程间的管道。考虑下面的命令行：$kill-l运行结果见附一。$kill-l|grepSIGRTMIN运行结果如下：30)SIGPWR31)SIGSYS32)SIGRTMIN33)SIGRTMIN+134)SIGRTMIN+235)SIGRTMIN+336)SIGRTMIN+437)SIGRTMIN+538)SIGRTMIN+639)SIGRTMIN+740)SIGRTMIN+841)SIGRTMIN+942)SIGRTMIN+1043)SIGRTMIN+1144)SIGRTMIN+1245)SIGRTMIN+1346)SIGRTMIN+1447)SIGRTMIN+1548)SIGRTMAX-1549)SIGRTMAX-14实例二：用于具有亲缘关系的进程间通信下面例子给出了管道的具体应用，父进程通过管道发送一些命令给子进程，子进程解析命令，并根据命令作相应处理。#includeunistd.h#includesys/types.hmain(){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(pipecreateerror\n);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(\n);close(pipe_fd[1]);sleep(2);while(!childexit){read(pipe_fd[0],r_buf,4);cmd=atoi(r_buf);if(cmd==0){printf(child:receivecommandfromparentover\nnowchildprocessexit\n);childexit=1;}elseif(handle_cmd(cmd)!=0)return;sleep(1);}close(pipe_fd[0]);exit();}