51-无名管道

以你之姓@ 2023-01-06 05:59 135阅读 0赞

这恐怕是最古老的 linux 进程间通信的方式了。这种方式简单而又强大，尤其适合有亲缘关系的进程（通常是父子进程）间通信了。

实际上，你或多或少的都用过管道这种通信方式，比如你在使用的 linux 命令中的管道连接符 `|`。所以，对于管道来说，你应该有一种亲切感。

# **1. 管道为何物？** #

如果你实践过前面我们讲过的使用本地文件进行进程间通信的方式，那么你就可以把管道理解成位于进程**内核空间**（如果你不记得这个概念，请翻阅前面的博文）的“文件”。

![这里写图片描述][SouthEast]  
图1 假想的位于内核的管道文件

给文件加引号，是因为它和文件确实很像，因为它也有描述符。但是它确实又不是普通的本地文件，而是一种抽象的存在。

当进程使用 `pipe` 函数，就可以打开位于内核中的这个特殊“文件”。同时 `pipe` 函数会返回两个描述符，一个用于读，一个用于写。如果你使用 `fstat`函数来测试该描述符，可以发现此文件类型为 FIFO.

而无名管道的无名，指的就是这个虚幻的“文件”，它没有名字。

**本质上，pipe 函数会在进程内核空间申请一块内存（比如一个内存页，一般是 4KB），然后把这块内存当成一个先进先出（FIFO）的循环队列来存取数据，这一切都由操作系统帮助我们实现了。**

# **2. pipe 函数** #

*  函数原型

<code>int pipe(int pipefd[2]);</code>

*  1

pipe 函数打开的文件描述符是通过参数（数组）传递出来的，而返回值表示打开成功（0）或失败（-1）。

它的参数是一个大小为 2 的数组。此数组的第 0 个元素用来接收以**读**的方式打开的描述符，而第 1 个元素用来接收以**写**的方式打开的描述符。也就是说，pipefd\[0\] 是用于读的，而 pipefd\[1\] 是用于写的。

打开了文件描述符后，就可以使用 read(pipefd\[0\]) 和 write(pipefd\[1\]) 来读写数据了。

*  注意事项

这两个分别用于读写的描述符必须同时打开才行，否则会出问题。

1.  如果关闭读 (`close(pipefd[0])`) 端保留写端，继续向写端 (pipefd\[1\]) 端写数据(write 函数)的进程会收到 SIGPIPE 信号。
2.  如果关闭写 (`close(pipefd[1])`) 端保留读端，继续向读端 (pipefd\[0\]) 端读数据(read 函数)，read 函数会返回 0.

# **3. 用 pipe 进行进程间通信** #

当在进程用 `pipe` 函数打开两个描述符后，我们可以 fork 出一个子进程。这样，子进程也会继承这两个描述符，而且这两个文件描述符的引用计数会变成 2。（如果忘记了这个特性，请复习[《fork 函数与文件共享》 ][fork]）

如果你需要父进程向子进程发送数据，那么得把父进程的 pipefd\[0\] （读端）关闭，而在子进程中把 pipefd\[1\] 写端关闭，反之亦然。为什么要这样做？实际上是避免出错。传统上 pipe 管道只能用于半双工通信（即一端只能发，不能收；而另一端只能收不能发），为了安全起见，各个进程需要把不用的那一端关闭（本质上是引用计数减 1）。

图2 和图 3 演示了上述过程。

*  步骤一：fork 子进程
    
      
    ![这里写图片描述][SouthEast 1]  
    图2 fork 后的半双工管道
    
     
 *  步骤二：关闭父进程读端，关闭子进程写端
    
      
    ![这里写图片描述][SouthEast 2]  
    图3 从父进程到子进程的管道

要想实现全双工通信（既能发又能收）怎么办？你可以再使用 pipe 打开两个描述符，或者使用其它的 ipc 手段。

接下来，看实例。

# **4. 实例** #

下面的程序功能如下：父进程 fork 出一个子进程，通过无名管道向子进程发送字符，子进程收到数据后将字符串中的小写字符转换成大写并输出。

为了突显程序结构，删除了错误处理部分的代码。

*  代码

<code>// hellopipe.c
 #include <unistd.h>
 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <ctype.h>
 
 void child(int *fd) {
 close(fd[1]); // 子进程关闭写端
 char buf[64];
 int n = 0,i;
 
 while(1) {
 n = read(fd[0], buf, 64); // 如果没有数据可读，read 会阻塞；如果父进程退出，read 返回 0.
 for (i = 0; i < n; ++i) putchar(toupper(buf[i]));
 if (*buf == 'q') {
 close(fd[0]);
 exit(0);
 } 
 if (n == 0) {
 puts("no data to read!");
 sleep(1);
 } 
 }
 exit(0); 
 }
 
 int main() {
 int fd[2];
 int n = 0;
 char buf[64] = { 0 };
 if (pipe(fd) < 0) {
 perror("pipe");
 return -1; 
 }
 
 pid_t pid = fork();
 if (pid == 0) {
 child(fd);
 }
 
 close(fd[0]);// 父进程关闭读端
 while (1) {
 n = read(STDIN_FILENO, buf, 64); 
 write(fd[1], buf, n); 
 if (*buf == 'q') { 
 close(fd[1]);
 exit(0);
 } 
 }
 
 return 0;
 }</code>

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*  编译和运行

<code>$ gcc hellopipe.c -o hellopipe
 $ ./hellopipe</code>

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*  运行结果

<code>hello world // 输入
 HELLO WORLD // 输出
 24215lkjl // 输入
 24215LKJL // 输出</code>

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# **5. 总结** #

*  掌握 pipe 函数
 *  理解 pipe 函数原理（fifo 队列）

> 练习：在运行上面的程序时，分别 kill 父进程和子进程，看看有什么结果，并解释现象。

[SouthEast]: /images/20221119/06ccb67362164132aa66c5ddffbe73c4.png
[fork]: http://blog.csdn.net/q1007729991/article/details/53740975
[SouthEast 1]: https://img-blog.csdn.net/20170104115937037?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvcTEwMDc3Mjk5OTE=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast
[SouthEast 2]: https://img-blog.csdn.net/20170104120112866?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvcTEwMDc3Mjk5OTE=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast