进程间通信--管道

2019-11-11 03:09:57

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供稿：网友

前面我们学习了一下进程，我们知道多，进程间的地址空间相对独立。进程与进程间不能像线程间通过全局变量通信。如果想进程间通信，就需要其他机制。常用的进程间通信方式有这几种A.传统的进程间通信方式无名管道(pipe)、有名管道(fifo)和信号(signal)B.System v IPC对象共享内存(share memory)、消息队列(message queue)和信号灯(semaphore)C.BSD套接字(socket)一、无名管道(pipe)1.1管道的介绍A.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B.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);C.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。D.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

解释如下 :

从以上我们可以知道:管道是基于文件描述符的通信方式。当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符fd[0]和fd[1]。其中fd[0]固定用于读管道，而fd[1]固定用于写管道,一般文件I/O的函数都可以用来操作管道(lseek除外)。

我们来测试一下管道的大小:案例一、

单独创建一个无名管道，并没有实际的意义。我们一般是在一个进程在由pipe()创建管道后，一般再由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无名管道的读写规则探究A.从管道中读取数据<1>写端不存在时,此时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；#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>int main(){ int n; int fd[2]; int count = 0; char buf[100] = {0}; if(pipe(fd) < 0) { perror("Fail to create pipe"); exit(EXIT_FAILURE); } close(fd[1]); if((n = read(fd[0],buf,sizeof(buf))) < 0) { perror("Fail to read pipe"); exit(EXIT_FAILURE); } PRintf("Rread %d bytes : %s./n",n,buf); return 0;}运行结果:

<2>写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF(Ubuntu 操作系统为65536)，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，则放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)案例二、父进程向管道中写数据，子进程从管道中读取数据

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#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#include <string.h>#define N 10#define MAX 100int child_read_pipe(int fd){ char buf[N]; int n = 0; while(1) { n = read(fd,buf,sizeof(buf)); buf[n] = '/0'; printf("Read %d bytes : %s./n",n,buf); if(strncmp(buf,"quit",4) == 0) break; } return 0;}int father_write_pipe(int fd){ char buf[MAX] = {0}; while(1) { printf(">"); fgets(buf,sizeof(buf),stdin); buf[strlen(buf)-1] = '/0'; write(fd,buf,strlen(buf)); usleep(500); if(strncmp(buf,"quit",4) == 0) break; } return 0;}int main(){ int pid; int fd[2]; if(pipe(fd) < 0) { perror("Fail to pipe"); exit(EXIT_FAILURE); } if((pid = fork()) < 0) { perror("Fail to fork"); exit(EXIT_FAILURE); }else if(pid == 0){ close(fd[1]); child_read_pipe(fd[0]); }else{ close(fd[0]); father_write_pipe(fd[1]); } exit(EXIT_SUCCESS);}运行结果:

从以上验证我们可以看到：<1>当写端存在时，管道中没有数据时，读取管道时将阻塞<2>当读端请求读取的数据大于管道中的数据时，此时读取管道中实际大小的数据<3>当读端请求读取的数据小于管道中的数据时，此时放回请求读取的大小数据B.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。当管道满时，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。注意：只有管道的读端存在时，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SIGPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略(默认动作则是使应用程序终止)。#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#include <string.h>int main(){ int pid; int n; int fd[2]; char buf[1000 * 6] = {0}; if(pipe(fd) < 0) { perror("Fail to pipe"); exit(EXIT_FAILURE); } if((pid = fork()) < 0) { perror("Fail to fork"); exit(EXIT_FAILURE); }else if(pid == 0){ close(fd[1]); sleep(5); close(fd[0]); printf("Read port close./n"); sleep(3); }else{ close(fd[0]); while(1) { n = write(fd[1],buf,sizeof(buf)); printf("Write %d bytes to pipe./n",n); } } exit(EXIT_SUCCESS);}运行结果:

探究发现，当管道数据满时，此时再向管道写数据，写端将阻塞。当读端不存在时，写端写数据，内核将向其发送SIGPIPE信号，默认是终止进程。案例3：父进程读取文件的内容，写到无名管道，子进程从管道中读取内容写到另一个文件。//思考：父进程什么时候结束，子进程什么时候结束?

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#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <errno.h>#include <sys/stat.h>#include <sys/types.h>#include <fcntl.h>#define MAX 100int child_work(int pfd,char *fname){ int n,fd; char buf[MAX]; if((fd = open(fname,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666)) < 0) { fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s./n",fname,strerror(errno)); return -1; } while( n = read(pfd,buf,sizeof(buf)) ) { write(fd,buf,n); } close(pfd); return 0;}int father_work(int pfd,char *fname){ int fd,n; char buf[MAX]; if((fd = open(fname,O_RDONLY)) < 0) { fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s./n",fname,strerror(errno)); return -1; } while(n = read(fd,buf,sizeof(buf))) { write(pfd,buf,n); } close(pfd); return 0;}int main(int argc,char *argv[]){ int pid; int fd[2]; if(argc < 3) { fprintf(stderr,"usage %s argv[1] argv[2]./n",argv[0]); exit(EXIT_FAILURE); } if(pipe(fd) < 0) { perror("Fail to pipe"); exit(EXIT_FAILURE); } if((pid = fork()) < 0) { perror("Fail to fork"); exit(EXIT_FAILURE); }else if(pid == 0){ close(fd[1]); child_work(fd[0],argv[2]); }else{ close(fd[0]); father_work(fd[1],argv[1]); wait(NULL); } exit(EXIT_SUCCESS);}二、有名管道1.1有名管道的介绍无名管道，由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信.。为了克服这个缺点，提出了有名管道(FIFO)。FIFO不同于无名管道之处在于它提供了一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中，这样，即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信，因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值的注意的是，FIFO严格遵循先进先出(first in first out),对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。注意：有名管道的名字存在于文件系统中，内容存放在内存中。1.2有名管道的创建

该函数的第一个参数是一个普通的路劲名，也就是创建后FIFO的名字。第二个参数与打开普通文件的open()函数中的mode参数相同。如果mkfifo的一个参数是一个已经存在路劲名时，会返回EEXIST错误，所以一般典型的调用代码首先会检查是否返回该错误，如果确实返回该错误，那么只要调用打开FIFO的函数就可以了。1.3有名管道的打开规则有名管道比无名管道多了一个打开操作：openFIFO的打开规则:如果当前打开操作时为读而打开FIFO时，若已经有相应进程为写而打开该FIFO，则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞到有相应进程为写而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志)；或者，成功返回(当前打开操作没有设置阻塞标志)。如果当前打开操作时为写而打开FIFO时，如果已经有相应进程为读而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志)；或者，返回ENIO错误(当期打开操作没有设置阻塞标志)。案例:A.open for write

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#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <errno.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>int main(int argc,char *argv[]){ int fd; if(argc < 2) { fprintf(stderr,"usage : %s argv[1]./n",argv[0]); exit(EXIT_FAILURE); } if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST) { fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s./n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } if((fd = open(argv[1],O_RDONLY)) < 0) { fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s./n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } printf("open for read success./n"); return 0;}探究发现，如果open时没有使用O_NONBLOCK参数，我们发现不论读端还是写端先打开，先打开者都会阻塞，一直阻塞到另一端打开。读者自己可以探究，如果open时使用了O_NONBLOCK参数，此时打开FIFO 又会是什么情况?1.4有名管道的读写规则A.从FIFO中读取数据约定：如果一个进程为了从FIFO中读取数据而以阻塞的方式打开FIFO，则称内核为该进程的读操作设置了阻塞标志<1>如果有进程为写而打开FIFO，且当前FIFO内没有数据，则对于设置了阻塞标志的读操作来说，将一直阻塞。对于没有设置阻塞标志读操作来说返回-1,当前errno值为EAGAIN,提醒以后再试。<2>对于设置阻塞标志的读操作说，造成阻塞的原因有两种:当前FIFO内有数据，但有其他进程正在读这些数据；另外就是FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入,不论写入数据量的大小，也不论读操作请求多少数据量。<3>如果没有进程写打开FIFO,则设置了阻塞标志的读操作会阻塞<4>如果写端关闭，管道中有数据读取管道中的数据，如果管道中没有数据读端将不会继续阻塞，此时返回0。注意：如果FIFO中有数据，则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞，此时，读操作会返回FIFO中现有的数据量。B.向FIFO中写入数据约定：如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的写操作设置了阻塞标志。对于设置了阻塞标志的写操作:<1>当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。如果此时管道空闲缓冲区不足以容纳要写入的字节数，则进入睡眠，直到当缓冲区中能够容纳写入的字节数时，才开始进行一次性写操作。<2>当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，Linux将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据，写操作在写完所有请求写的数据后返回。对于没有设置阻塞标志的写操作:<1>当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。在写满所有FIFO空闲缓冲区后，写操作返回。<2>当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数，写完后成功返回；如果当前FIFO空闲缓冲区不能够容纳请求写入的字节数，则返回EAGAIN错误，提醒以后再写。注意：只有读端存在，写端才有意义。如果读端不在，写端向FIFO写数据，内核将向对应的进程发送SIGPIPE信号（默认终止进程）；案例一、write to FIFO#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <errno.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#define MAX 655360int main(int argc,char *argv[]){ int n,fd; char buf[MAX]; if(argc < 2) { fprintf(stderr,"usage : %s argv[1]./n",argv[0]); exit(EXIT_FAILURE); } if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST) { fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s./n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } if((fd = open(argv[1],O_WRONLY )) < 0) { fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s./n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } printf("open for write success./n"); while(1) { printf(">"); scanf("%d",&n); n = write(fd,buf,n); printf("write %d bytes./n",n); } exit(EXIT_SUCCESS);}read from FIFO

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#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <errno.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#define MAX 655360int main(int argc,char *argv[]){ int fd,n; char buf[MAX]; if(argc < 2) { fprintf(stderr,"usage : %s argv[1]./n",argv[0]); exit(EXIT_FAILURE); } if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST) { fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s./n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } if((fd = open(argv[1],O_RDONLY )) < 0) { fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s./n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } printf("open for read success./n"); while(1) { printf(">"); scanf("%d",&n); n = read(fd,buf,n); printf("Read %d bytes./n",n); } exit(EXIT_SUCCESS);}读者可以将这两个程序运行，然后输入read和write FIFO大小就可以看到效果。

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