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
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。
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。
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； -
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]);- 1
- 2
- 3
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：
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：
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：
- 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。
- 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：
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。
- 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。
- 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)- 1
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;
};