管道

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:

1. 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。

2. 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。

3. 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。

    练习: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。 【pipe.c】

思考:为甚么,程序中没有使用sleep函数,但依然能保证子进程运行时一定会读到数据呢?

 
 
  1. #include <unistd.h>

  2. #include <string.h>

  3. #include <stdlib.h>

  4. #include <stdio.h>

  5. #include <sys/wait.h>

  6. void sys_err(const char *str)

  7. {

  8. perror(str);

  9. exit(1);

  10. }

  11. int main(void)

  12. {

  13. pid_t pid;

  14. char buf[1024];

  15. int fd[2];

  16. char *p = "test for pipe\n";

  17. if (pipe(fd) == -1)

  18. sys_err("pipe");

  19. pid = fork();

  20. if (pid < 0) {

  21. sys_err("fork err");

  22. } else if (pid == 0) {

  23. close(fd[1]);

  24. int len = read(fd[0], buf, sizeof(buf));

  25. write(STDOUT_FILENO, buf, len);

  26. close(fd[0]);

  27. } else {

  28. close(fd[0]);

  29. write(fd[1], p, strlen(p));

  30. wait(NULL);

  31. close(fd[1]);

  32. }

  33. return 0;

  34. }

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):

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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: 1. 管道中有数据,read返回实际读到的字节数。

2. 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)

2. 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。

    练习:使用管道实现父子进程间通信,完成:ls | wc –l。假定父进程实现ls,子进程实现wc。

ls命令正常会将结果集写出到stdout,但现在会写入管道的写端;wc –l 正常应该从stdin读取数据,但此时会从管道的读端读。      【pipe1.c】

 
 
  1. #include <stdio.h>

  2. #include <unistd.h>

  3. #include <sys/wait.h>

  4. int main(void)

  5. {

  6. pid_t pid;

  7. int fd[2];

  8. pipe(fd);

  9. pid = fork();

  10. if (pid == 0) { //child

  11. close(fd[1]); //子进程从管道中读数据,关闭写端

  12. dup2(fd[0], STDIN_FILENO); //让wc从管道中读取数据

  13. execlp("wc", "wc", "-l", NULL); //wc命令默认从标准读入取数据

  14. } else {

  15. close(fd[0]); //父进程向管道中写数据,关闭读端

  16. dup2(fd[1], STDOUT_FILENO); //将ls的结果写入管道中

  17. execlp("ls", "ls", NULL); //ls输出结果默认对应屏幕

  18. }

  19. return 0;

  20. }

  21. /*

  22. * 程序不时的会出现先打印$提示符,再出程序运行结果的现象。

  23. * 这是因为:父进程执行ls命令,将输出结果给通过管道传递给

  24. * 子进程去执行wc命令,这时父进程若先于子进程打印wc运行结果

  25. * 之前被shell使用wait函数成功回收,shell就会先于子进程打印

  26. * wc运行结果之前打印$提示符。

  27. * 解决方法:让子进程执行ls,父进程执行wc命令。或者在兄弟进程间完成。

  28. */


 

程序执行,发现程序执行结束,shell还在阻塞等待用户输入。这是因为,shell → fork → ./pipe1, 程序pipe1的子进程将stdin重定向给管道,父进程执行的ls会将结果集通过管道写给子进程。若父进程在子进程打印wc的结果到屏幕之前被shell调用wait回收,shell就会先输出$提示符。

    练习:使用管道实现兄弟进程间通信。 兄:ls  弟: wc -l  父:等待回收子进程。

要求,使用“循环创建N个子进程”模型创建兄弟进程,使用循环因子i标示。注意管道读写行为。 【pipe2.c】

 
 
  1. #include <stdio.h>

  2. #include <unistd.h>

  3. #include <sys/wait.h>

  4. int main(void)

  5. {

  6. pid_t pid;

  7. int fd[2], i;

  8. pipe(fd);

  9. for (i = 0; i < 2; i++) {

  10. if((pid = fork()) == 0) {

  11. break;

  12. }

  13. }

  14. if (i == 0) { //兄

  15. close(fd[0]); //写,关闭读端

  16. dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);

  17. execlp("ls", "ls", NULL);

  18. } else if (i == 1) { //弟

  19. close(fd[1]); //读,关闭写端

  20. dup2(fd[0], STDIN_FILENO);

  21. execlp("wc", "wc", "-l", NULL);

  22. } else {

  23. close(fd[0]);

  24. close(fd[1]);

  25. for(i = 0; i < 2; i++) //两个儿子wait两次

  26. wait(NULL);

  27. }

  28. return 0;

  29. }


 

    测试:是否允许,一个pipe有一个写端,多个读端呢?是否允许有一个读端多个写端呢? 【pipe3.c】

 
 
  1. #include <stdio.h>

  2. #include <unistd.h>

  3. #include <sys/wait.h>

  4. #include <string.h>

  5. #include <stdlib.h>

  6. int main(void)

  7. {

  8. pid_t pid;

  9. int fd[2], i, n;

  10. char buf[1024];

  11. int ret = pipe(fd);

  12. if(ret == -1){

  13. perror("pipe error");

  14. exit(1);

  15. }

  16. for(i = 0; i < 2; i++){

  17. if((pid = fork()) == 0)

  18. break;

  19. else if(pid == -1){

  20. perror("pipe error");

  21. exit(1);

  22. }

  23. }

  24. if (i == 0) {

  25. close(fd[0]);

  26. write(fd[1], "1.hello\n", strlen("1.hello\n"));

  27. } else if(i == 1) {

  28. close(fd[0]);

  29. write(fd[1], "2.world\n", strlen("2.world\n"));

  30. } else {

  31. close(fd[1]); //父进程关闭写端,留读端读取数据

  32. // sleep(1);

  33. n = read(fd[0], buf, 1024); //从管道中读数据

  34. write(STDOUT_FILENO, buf, n);

  35. for(i = 0; i < 2; i++) //两个儿子wait两次

  36. wait(NULL);

  37. }

  38. return 0;

  39. }

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