【Linux】中的管道实现

一时失言乱红尘 2022-06-15 07:25 168阅读 0赞

# **管道** #

## **管道的概念：** ##

管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：

1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)

2. 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。

3. 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。

管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。

管道的局限性：

① 数据自己读不能自己写。

② 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。

③ 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。

④ 只能在有公共祖先的进程间使用管道。

常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信。

## **pipe函数** ##

创建管道

int pipe(int pipefd\[2\]); 成功：0；失败：-1，设置errno

函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。规定：fd\[0\] → r； fd\[1\] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢？通常可以采用如下步骤：

![20161223173958916][]

1. 父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd\[0\]、fd\[1\]指向管道的读端和写端。

2. 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。

3. 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

练习：父子进程使用管道通信，父写入字符串，子进程读出并，打印到屏幕。 【pipe.c】

思考：为甚么，程序中没有使用sleep函数，但依然能保证子进程运行时一定会读到数据呢？

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  \#include <unistd.h>
2.  \#include <string.h>
3.  \#include <stdlib.h>
4.  \#include <stdio.h>
5.  \#include <sys/wait.h>
6.  
7.  **void** sys\_err(**const****char** \*str) 
8.  \{ 
9.   perror(str); 
10.  exit(1); 
11. \} 
12. 
13. **int** main(**void**) 
14. \{ 
15.  pid\_t pid; 
16. **char** buf\[1024\]; 
17. **int** fd\[2\]; 
18. **char** \*p = "test for pipe\\n"; 
19. 
20. **if** (pipe(fd) == -1) 
21.  sys\_err("pipe"); 
22. 
23.  pid = fork(); 
24. **if** (pid < 0) \{ 
25.  sys\_err("fork err"); 
26.  \} **else****if** (pid == 0) \{ 
27.  close(fd\[1\]); 
28. **int** len = read(fd\[0\], buf, **sizeof**(buf)); 
29.  write(STDOUT\_FILENO, buf, len); 
30.  close(fd\[0\]); 
31.  \} **else** \{ 
32.  close(fd\[0\]); 
33.  write(fd\[1\], p, strlen(p)); 
34.  wait(NULL); 
35.  close(fd\[1\]); 
36.  \} 
37. 
38. **return** 0; 
39. \}

## **管道的读写行为** ##

使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O\_NONBLOCK标志）：

1. 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。

2. 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。

3. 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。

4. 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

总结：

① 读管道： 1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。

2. 管道中无数据：

(1) 管道写端被全部关闭，read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： 1. 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)

2. 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。

练习：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。

ls命令正常会将结果集写出到stdout，但现在会写入管道的写端；wc –l 正常应该从stdin读取数据，但此时会从管道的读端读。 【pipe1.c】

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  \#include <stdio.h>
2.  \#include <unistd.h>
3.  \#include <sys/wait.h>
4.  
5.  **int** main(**void**) 
6.  \{ 
7.   pid\_t pid; 
8.  **int** fd\[2\]; 
9.  
10.  pipe(fd); 
11.  pid = fork(); 
12. 
13. **if** (pid == 0) \{ //child
14.  close(fd\[1\]); //子进程从管道中读数据，关闭写端
15.  dup2(fd\[0\], STDIN\_FILENO); //让wc从管道中读取数据
16.  execlp("wc", "wc", "-l", NULL); //wc命令默认从标准读入取数据
17. 
18.  \} **else** \{ 
19. 
20.  close(fd\[0\]); //父进程向管道中写数据，关闭读端
21.  dup2(fd\[1\], STDOUT\_FILENO); //将ls的结果写入管道中
22.  execlp("ls", "ls", NULL); //ls输出结果默认对应屏幕
23.  \} 
24. 
25. **return** 0; 
26. \} 
27. 
28. 
29. 
30. 
31. 
32. /\*
33.  \* 程序不时的会出现先打印$提示符，再出程序运行结果的现象。
34.  \* 这是因为：父进程执行ls命令，将输出结果给通过管道传递给
35.  \* 子进程去执行wc命令，这时父进程若先于子进程打印wc运行结果
36.  \* 之前被shell使用wait函数成功回收，shell就会先于子进程打印
37.  \* wc运行结果之前打印$提示符。
38.  \* 解决方法：让子进程执行ls,父进程执行wc命令。或者在兄弟进程间完成。
39.  \*/

程序执行，发现程序执行结束，shell还在阻塞等待用户输入。这是因为，shell → fork → ./pipe1， 程序pipe1的子进程将stdin重定向给管道，父进程执行的ls会将结果集通过管道写给子进程。若父进程在子进程打印wc的结果到屏幕之前被shell调用wait回收，shell就会先输出$提示符。

练习：使用管道实现兄弟进程间通信。 兄：ls 弟： wc -l 父：等待回收子进程。

要求，使用“循环创建N个子进程”模型创建兄弟进程，使用循环因子i标示。注意管道读写行为。 【pipe2.c】

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  \#include <stdio.h>
2.  \#include <unistd.h>
3.  \#include <sys/wait.h>
4.  
5.  **int** main(**void**) 
6.  \{ 
7.   pid\_t pid; 
8.  **int** fd\[2\], i; 
9.  
10.  pipe(fd); 
11. 
12. **for** (i = 0; i < 2; i++) \{ 
13. **if**((pid = fork()) == 0) \{ 
14. **break**; 
15.  \} 
16.  \} 
17. 
18. **if** (i == 0) \{ //兄
19.  close(fd\[0\]); //写,关闭读端
20.  dup2(fd\[1\], STDOUT\_FILENO); 
21.  execlp("ls", "ls", NULL); 
22.  \} **else****if** (i == 1) \{ //弟
23.  close(fd\[1\]); //读，关闭写端
24.  dup2(fd\[0\], STDIN\_FILENO); 
25.  execlp("wc", "wc", "-l", NULL); 
26.  \} **else** \{ 
27.  close(fd\[0\]); 
28.  close(fd\[1\]); 
29. **for**(i = 0; i < 2; i++) //两个儿子wait两次
30.  wait(NULL); 
31.  \} 
32. 
33. **return** 0; 
34. \}

[测试][Link 1]：是否允许，一个pipe有一个写端，多个读端呢？是否允许有一个读端多个写端呢？ 【pipe3.c】

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain]

[print][view plain] [?][view plain]

1.  \#include <stdio.h>
2.  \#include <unistd.h>
3.  \#include <sys/wait.h>
4.  \#include <string.h>
5.  \#include <stdlib.h>
6.  
7.  **int** main(**void**) 
8.  \{ 
9.   pid\_t pid; 
10. **int** fd\[2\], i, n; 
11. **char** buf\[1024\]; 
12. 
13. **int** ret = pipe(fd); 
14. **if**(ret == -1)\{ 
15.  perror("pipe error"); 
16.  exit(1); 
17.  \} 
18. 
19. **for**(i = 0; i < 2; i++)\{ 
20. **if**((pid = fork()) == 0) 
21. **break**; 
22. **else****if**(pid == -1)\{ 
23.  perror("pipe error"); 
24.  exit(1); 
25.  \} 
26.  \} 
27. 
28. **if** (i == 0) \{ 
29.  close(fd\[0\]); 
30.  write(fd\[1\], "1.hello\\n", strlen("1.hello\\n")); 
31.  \} **else****if**(i == 1) \{ 
32.  close(fd\[0\]); 
33.  write(fd\[1\], "2.world\\n", strlen("2.world\\n")); 
34.  \} **else** \{ 
35.  close(fd\[1\]); //父进程关闭写端,留读端读取数据 
36. // sleep(1);
37.  n = read(fd\[0\], buf, 1024); //从管道中读数据
38.  write(STDOUT\_FILENO, buf, n); 
39. 
40. **for**(i = 0; i < 2; i++) //两个儿子wait两次
41.  wait(NULL); 
42.  \} 
43. 
44. **return** 0; 
45. \}

![save_snippets.png][]

[20161223173958916]: /images/20220615/da429cb60b7d4379b93a17de14514a6a.png
[view plain]: http://blog.csdn.net/oguro/article/details/53841949#
[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/softwaretest
[save_snippets.png]: /images/20220615/03ba6e81486d49fabe9dbe9f0804154a.png