Linux进程通信（一）——pipe管道

缺乏、安全感 2022-07-12 06:36 399阅读 0赞

## 本章内容 ##

*  采用pipe管道如何进行进程之间的通信
 *  pipe管道进程通信的规则和限制
 *  Linux中pipe管道的实现机制和管理pipe管道的结构体

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## 什么是进程通信 ##

进程通信就是两个进程之间进行数据交换，在Linux中有好几种可以进行进程通信的方式，在这篇文章中我们主要介绍最基本的进程通信方式——pipe管道。

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## 进程通信的途径 ##

进程之间交换信息的唯一途径就是传送打开的文件。

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## 管道(pipe) ##

管道是一种最古老也是最基本的系统IPC形式，所有的Linux系统都提供此种通信机制。但是管道有以下两个局限性：

*  它是半双工的，即数据一个管道上的数据只能在一个方向上流动，如果要实现双向通信，就必须在两个进程之间建立两个管道；
 *  管道只能在具有公共祖先的两个进程之间使用；
 *  \-

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## pipe的实现机制 ##

管道是由内核管理的一个缓冲区，它的一端连接一个进程的输出，另一端连接一个进程的输入。管道的缓冲区不需要很大，它被设计为环形的数据结构，当两个进程都终止后，管道的生命周期也会被结束。

### 管道的创建 ###

管道是通过调用pipe函数创建的。

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

它由输出型参数fd返回两个文件描述符，**fd\[0\]为读而打开，fd\[1\]为写而打开**，fd\[1\]的输出是fd\[0\]的输入，当管道创建成功后pipe函数返回0,如果创建失败则返回-1,fd\[0\]和fd\[1\]之间的关系如下图：![(pipe1)][pipe1]

## 如何通过pipe进行通信 ##

上面我们在单个进程中建立了管道，但是实际上，单个进程中的管道是没有什么用的，通常，进程会先调用pipe函数产生管道，接着调用fork()函数，fork函数会将父进程的相关数据结构继承到子进程中，这样就使子进程中的**文件描述符**表中的fd\[0\]和fd\[1\]指向父进程所指向的管道文件，这样就能实现两个进程之间的通信了。上面的过程如下图：  
![这里写图片描述][SouthEast]

## 利用pipe通信的相关规则 ##

对于一个从子进程到父进程的管道(子进程写，父进程读)，父进程关闭fd\[1\],子进程关闭fd\[0\],当管道的一段被关闭后（在上面的基础上关闭管道的一端）下列两条规则起作用：

1.  当读一个写段已经被关闭的管道时，在所有的数据都被读取后，**read返回0**(read返回0表示已经读到文件结束符)；  
    下面我们进行验证：

#include<stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <string.h>
    #include <sys/wait.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main()
    {
        //create pipe
        int fd[2]={
       0,0};
        if(pipe(fd)!=0){
            //create false
            perror("pipe");
            exit(1);
        }
        // pipe create success
        pid_t id=fork();
        if(id==0){
            //child -->write fd[1]
            printf("Child\n");
            sleep(2);
            const char* msg="Hello,leap\n";
            close(fd[0]);
            int count=3;
            while(count--){
                ssize_t size=write(fd[1],msg,strlen(msg));
                printf("size:%d\n",size);
                //if(count--){
                //  sleep(1);
                //}
                sleep(1);
                printf("child is writing...\n");
            }
            close(fd[1]);
            exit(0);
        }
        else{
            //father -->read fd[0]
            printf("Father\n");
            sleep(2);
            close(fd[1]);
            char buf[1024];
            int count=3;
            while(1){
                ssize_t Len=read(fd[0],buf,1024);
                //printf("Len::%d\n",Len);
                printf("Father is reading...\n");
                if(Len>0){
                    //read success
                    buf[Len]='\0';
                    printf("child say:%s",buf);
                }
                else if(Len==0){
                    //read end of file
                    printf("Read the end of pipe\n");
                    break;
                }
                else{
                    perror("read");
                    exit(1);
                }
            }
            close(fd[0]);
            int status=0;
            pid_t _pid=waitpid(id,&status,0);
            if(_pid==id){
                printf("Wait success for child\n");
                printf("Exit code:%d,Exit signal:%d\n",(status>>8)&0xff,status&0xff);
            }
            else{
                perror("wait");
            }
            exit(0);
        }
        return 0;
    }

程序让子进程写三次字符串然后关闭子进程fd\[1\],即关闭管道的写端，不关闭父进程的fd\[0\],即管道的读端。  
![这里写图片描述][SouthEast 1]

1.  如果写一个读端已经被关闭的管道，则会**产生相关信号**对写段的进程进行终止，如果忽略该信号或捕捉该信号并从处理程序返回，则write会返回-1,errno会设置为**EPIPE**;  
    下面我们进行验证：

#include<stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <string.h>
    #include <sys/wait.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main()
    {
        //create pipe
        int fd[2]={
       0,0};
        if(pipe(fd)!=0){
            //create false
            perror("pipe");
            exit(1);
        }
        // pipe create success
        pid_t id=fork();
        if(id==0){
            //child -->write fd[1]
            printf("Child\n");
            sleep(2);
            const char* msg="Hello,leap\n";
            close(fd[0]);
            int count=5;
            while(1){
                ssize_t size=write(fd[1],msg,strlen(msg));
                printf("size:%d\n",size);
                if(count--){
                    sleep(1);
                }
                printf("child is writing...\n");
            }
            close(fd[1]);
        }
        else{
            //father -->read fd[0]
            printf("Father\n");
            sleep(2);
            close(fd[1]);
            char buf[1024];
            int count=3;
            while(count--){
                ssize_t Len=read(fd[0],buf,1024);
                //printf("Len::%d\n",Len);
                printf("Father is reading...\n");
                if(Len>0){
                    //read success
                    buf[Len]='\0';
                    printf("child say:%s",buf);
                }
                else if(Len==0){
                    //read end of file
                    printf("Read the end of pipe\n");
                }
                else{
                    perror("read");
                    exit(1);
                }
            }
            close(fd[0]);
            int status=0;
            pid_t _pid=waitpid(id,&status,0);
            if(_pid==id){
                printf("Wait success for child\n");
                printf("Exit code:%d,Exit signal:%d\n",(status>>8)&0xff,status&0xff);
            }
            else{
                perror("wait");
            }
            exit(0);
        }
        return 0;
    }

代码的意图是这样：我们让write端（子进程）一直写字符串msg，而read端（父进程）先读三次然后在关闭掉父进程的fd\[0\],这样就形成了子进程一直写，而父进程没有在读的情况。结果如下：  
![这里写图片描述][SouthEast 2]  
我们发现父进程关闭掉fd\[0\]后子进程被**异常终止了**，我们从子进程的退出码和退出信号码发现它是被13号信号（**SIGPIPE**）所终止的,所以写一个读端关闭的管道这对PIPE来说并不成立，操作系统会在读端关闭后向写端的进程发送**SIGPIPE**使进程被终止。

1.  如果管道的读端和写端都没有关闭，但是管道的写端没有再向管道写数据了。这时如果管道中没有数据了，那么在此read进程会产生阻塞，直到管道中有数据了才读取数据并返回。
2.  如果有指向管道读端的文件描述符没有关闭，而持有管道读端的没有从管道中读数据，这时有进程向管道中写数据，如果管道被写满再向管道写数据是，再次write会导致进程阻塞，直到管道中有空间了才会继续向管道中写数据并返回。

## pipe管道容量 ##

我们可以通过*\* man 7 pipe\**；来查询管道的容量**pipe\_capacity**

\#\# Linux的管道实现机制  
从本质上说，管道也是一种文件，但它又和一般的文件有所不同，管道可以克服使用文件进行通信的两个问题，具体表现为：  
管道是一个固定大小的缓冲区，在Linux中，该缓冲区的大小为一页，即4kb，使它的大小不会像普通文件那样不加检验的增长。在Linux中，内核使用**struct pipe\_inode\_info**结构体来描述一个管道，这个结构体定义在**pipe\_fs\_i.h**中。

**struct pipe\_inode\_info结构体**

struct pipe_inode_info {
    //管道等待队列，当pipe为空/满时指向等待的读者和写者
        wait_queue_head_t wait;            
    //pipe中非空缓冲区的数量和当前pipe的入口
        unsigned int nrbufs, curbuf;
    //临时释放的页也叫高速缓存区页框指针
        struct page *tmp_page;
    //读进程的标志或ID号
        unsigned int readers;
    //写进程的标志或ID号
        unsigned int writers;
    //在等待队列中睡眠的写进程的个数
        unsigned int waiting_writers;
    //reader的总数
        unsigned int r_counter;
    //writer的总数
        unsigned int w_counter;
    //用于通过信号进行异步I/O通知
        struct fasync_struct *fasync_readers;
    
        struct fasync_struct *fasync_writers;
    //pipe对应的inode
        struct inode *inode;
    //pipe的环形缓冲区
        struct pipe_buffer bufs[PIPE_BUFFERS];
    };

**缓冲区的个数**

#define PIPE_BUFFERS (16)

**管理缓冲区的结构**

struct pipe_buffer {
    //包含当前pipe_buffer数据的页
        struct page *page;   
    //页中所包含的数据的偏移量，长度
        unsigned int offset, len;
    //与buffer相关的操作
        const struct pipe_buf_operations *ops;
    //pipe_buffer标志
        unsigned int flags;
        unsigned long private;
    };

[pipe1]: /images/20220711/358994189cf843768716572737fad206.png
[SouthEast]: /images/20220711/3cd59837ac354dc190974b046149ff18.png
[SouthEast 1]: /images/20220711/9c9781dba58f4204bfb118762d09a0af.png
[SouthEast 2]: /images/20220711/53220b3c06114c5e949982556ab08c0e.png