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:
- 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。
- 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。
- 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。
//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。
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
void sys_err(const char *str) //错误
{
perror(str);
exit(1);
}
int main(void)
{
pid_t pid;
char buf[1024];
int fd[2];
char *p = "test for pipe\n";
if (pipe(fd) == -1)
sys_err("pipe");
pid = fork(); //创建子进程
if (pid < 0) //错误
{
sys_err("fork err");
}
else if (pid == 0) //子进程
{
close(fd[1]);
int len = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
write(STDOUT_FILENO, buf, len);
close(fd[0]);
} else 父进程
{
close(fd[0]);
write(fd[1], p, strlen(p));
wait(NULL);
close(fd[1]);
}
return 0;
}
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):
- 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。
- 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。
- 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。
- 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:
- 管道中有数据,read返回实际读到的字节数。
- 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)
- 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。
从管道中读数据
如果某个进程要读取管道中的数据,那么该进程应当关闭fd[1],同时向管道写数据的进程应当关闭fd[0]。因为管道只能用于具有亲缘关系的进程间的通信,在各个程进行通信时,
他们共享文件描述符。在使用前,应及时地关闭不需要的管道的另一端,以避免意外错误的发生。
进程在管道的读端读数据时,如果管道的写端不存在,则读进程认为已经读到了数据的末尾,读函数返回读出的字节数为0;管道的写端如果存在,且请求读取的字节数大于
PIPE_BUF,则返回管道中现有的所有数据;如果请求的字节数不大于PIPE_BUF,则返回管道中现有的所有数据(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,管道中数据量大于等于请求的数据量)。
注意:PIPE_BUF在/usr/include/linux/limits.h中定义,不同的内核版本可能会有所不同。
实验
管道的一般用法是,进程在使用fork函数创建子进程前先创建一个管道,该管道用于在父子进程间通信,然后创建子进程,
之后父进程关闭管道的读端,子进程关闭管道的写端。父进程负责向管道写数据而子进程负责读数据。当然父进程可以关闭管道的写端而子进程关闭管道的读端。
这样管道就可以用于父子进程间的通信,也可以用于兄弟进程间的通信。
//无名管道读数据
#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) //错误
{
perror("Fail to create pipe");
exit(EXIT_FAILURE);
}
close(fd[1]); //关闭写
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;
}
向管道写数据
如果某进程希望向管道中写入数据,那么该进程应当关闭fd[0]文件描述符,同时管道另一端的进程关闭fd[1]。向管道中写入数据时,linux不保证写入的原子性(原子性是指操作在
任何时候都不能被任何原因所打断,操作要么不做要么就一定完成)。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。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据,那么
写操作将一直被阻塞等待。
在写管道时,如果要求写的字节数小于等于PIPE_BUF,则多个进程对同一管道的写操作不会交错进行。但是,如果有多个进程同时写一个管道,而且某些进程要求写入的字节数超过
PIPE_BUF所能容纳时,则多个写操作的数据可能会交错。
/*********************
project: 无名管道的读写
写入管道由getchar输入
读管道由printf打印输出
**********************/
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
//进程读函数
void read_data(int *);
//进程写函数
void write_data(int *);
int main(int argc,char *argv[])
{
int pipes[2],rc;//pipe[0]读管道,pipe[1]写入管道道
pid_t pid;
rc = pipe(pipes); //创建管道
if(rc == -1){
perror("\npipes\n");
exit(1);
}
pid = fork(); //创建进程
switch(pid){
case -1:
perror("\nfork\n");
exit(1);
case 0: //子进程
read_data(pipes); //相同的pipes,父进程写,子进程读,pid为0子进程
default: //父进程
write_data(pipes); //相同的pipes,父进程写,子进程读,pid为子进程号是父进程
}
return 0;
}
//进程读函数
void read_data(int pipes[])
{
int c,rc;
//由于此函数只负责读,因此将写描述关闭(资源宝贵)
close(pipes[1]);
//阻塞,等待从管道读取数据
//int 转为 unsiged char 输出到终端
while( (rc = read(pipes[0],&c,1)) > 0 ){
putchar(c);
}
exit(0);
}
//进程写函数
void write_data(int pipes[])
{
int c,rc;
//关闭读描述字
close(pipes[0]);
while( (c=getchar()) > 0 ){
rc = write( pipes[1], &c, 1); //写入管道
if( rc == -1 ){
perror("Parent: write");
close(pipes[1]);
exit(1);
}
}
close( pipes[1] );
exit(0);
}
注意:
只有在管道的读端存在时,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。应用程序可以处理也可以忽略该信号,如果忽略该信号或者
从其处理程序返回,则write出错,错误码为EPIPE。
必须在系统调用fork之前调用pipe,否则子进程将不会继承管道的文件描述符。