【Linux】进程间通信——管道

目录

一、概念

二、管道函数

1.popen函数

2.pclose函数

3.文件函数

三、管道的操作

1.管道的分类

无名管道

有名管道

管道的特点

四、管道的实现

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前言：

进程间通信的方法/IPC机制都有哪些：

1. 管道
2. 套接字
3. 信号量
4. 共享内存
5. 消息队列

一、概念

什么是管道？

当从一个进程连接数据流到另一个进程时，使用“管道”。通常把一个进程的输出通过管道连接到另一个进程的输入。

        shell命令的连接是通过管道字符来完成，如下所示：

cmd1|cmd2

        shell负责安排两个命令的标准输入和标准输出。cmd1的标准输入来自终端键盘，cmd1的标准输出传递给cmd2,作为它的标准输入。cmd2的标准输出来接到终端屏幕。管道是在内存上分配空间，cmd1把数据写到内存中，cmd2从内存中读取数据，效率高。

        shell做的工作实际就是对标准输入和标准输出流进行重新连接，使数据流从键盘输入通过两个命令最终输出到屏幕上。

图示为用管道将多个进程连接起来     

二、管道函数

1.popen函数

头文件：

#include

函数原型：

FILE *popen(const char * command,const char * open_mode);

• 作用：
  • 允许一个程序将另一个程序作为新程序来启动，并可以传递数据给它或者通过它接收数据。        
• 参数：
  • 第一个参数command字符串是要运行的程序名和相应参数。open_mode必须是“r”或者是“w”。
  • 第二个参数open_mode必须是“r”或者是“w”。如果open_mode是“r”，被调用的程序输出就可以被调用程序使用，调用程序利用popen函数返回的FILE*文件流指针，就可以通过常用的stdio库函数（如fread）来读取被调用程序的输出。如果open_mode是“w”，调用程序就可以用fwrite调用向被调用程序发送数据，而被调用程序可以在自己的标准输入流上读取数据，然后做出相应的操作。
• 返回值：
  • 失败返回空指针

2.pclose函数

头文件：#include

函数原型：

FILE *pclose(FILE *stream_to_close);

• 作用：
  • 关闭与之关联的文件流。        
• 返回值：
  • 通常是它所关闭的文件流所在进程的退出码。

3.文件函数

#include

write:

把缓冲区Buf的前nbytes个字节写入与文件描述符fildes关联的文件中。返回实际写入的字节数。

size_t write(int fildes,const void *buf,size_t nbytes)

read:

从文件描述符filedes相关联的文件里读入nbytes个字节的数据，并且把他们放到数据区buf中。返回实际读入的字节数。

size_t read(int dildes,void* buf,size_t nbytes);

open:

创建一个新的文件描述符

#include
#include
#include
 
int open(const char * path,int oflags);
int open(const char *path,int oflags,mode_t mode);

三、管道的操作

管道也是个文件，用文件操作的命令对管道进程操作。管道存放在内存中，读取速度很快。

1.管道的分类

1. 有名管道：在任意两个进程间通信
2. 无名管道：在父子进程间通信

无名管道

• 只能进行父子间通信
• 使用pipe创建无名管道
• pipe:
  • 头文件：

  • #include
     
    int pipe(int file_descriptor[2]);
    

  • 成功返回0，失败返回-1
  • file_descriptor[0]:管道读端的描述符
  • file_descriptor[1]：管道写端的描述符

  • 两个返回的文件描述符以一种特殊的方式连接起来。写到file_deacriptor[1]的所有数据都有可以从file_descriptor[0]读回来。数据基于先进先出的原则（通常写为FIFO）进行处理，这意味着如果把字节1，2，3写到file_deacriptor[1]，从file_deacriptor[0]读取到的数据也会是1，2，3，这也栈的处理方式不同，栈采用后进先出，写作LIFO。

• 函数在两个程序之间传递数据不需要启动一个shell来解释所请求的命令，他同时还提供了对读写数据的更多控制。
• pipe函数的参数是一个由两个整数类型的文件描述符组成数组的指针。该函数在数组中天上两个新的文件描述符后返回0，如果失败则返回-1并设置error来表示失败的原因。
• 代码演示：父进程写入数据，子进程读取：

• #include
  #include
  #include
  #include
  #include
   
  int main()
  {
      int fd[2];//写端描述符
  	assert(pipe(fd)!=-1);
   
  	pid_t pid=fork();//open->fork，父子共享文件描述法
      assert(pid!=-1);
  	if(pid==0)//子进程
  	{
  		close(fd[1]);
  		char buff[128]={0};
  		read(fd[0],buff,127);
  		printf(fd[0]);
  	}
  	else
  	{
  		close(fd[0]);
  		write(fd[1],"hello",5);
  		close(fd[1]);
  	}
  	exit(0);
  }
  

• 代码牵扯到一个知识点：先open打开文件再fork出子进程，此时，父子进程共享文件偏移量/文件描述符。注意：这里使用的文件描述符而不是文件流，所以我们必须用底层的read和write调用来访问数据，而不是用文件流库函数fread和fwrite。

• fork，可以把fds[0][1]带给子进程，传递描述符

  子进程可以共享，管道就通过fork把管道描述符带给fork

有名管道

• 有名管道实现任意进程间通信
• 有名管道的创建：
  • 创建命令：mkfifo
  • 打开管道：open();
  • 读数据：read();
  • 写入数据:write();
  • 关闭管道：close()
• 代码实现有名管道间通信：

a.c：读取fifi的管道文件，写入5个字符的"hello"数据进去。

#include
#include
#include
#include
#include
#include
 
int main()
{
	int fd=open("fifi",O_WRONLY);
	assert(fd!=-1);
	printf("fd=%d\n",fd);
	write(fd,"hello",5);
	close(fd);
}

b.c

#include
#include
#include
#include
#include
#include
 
int main()
{
	int fd=open("./fifi",O_RDONLY);
	assert(fd!=-1);
	printf("fd=%d\n",fd);
	char buff[128]={0};
	read(fd,buff,127);//不读\0
	printf("read %s\n",buff);
	close(fd);
}

管道的特点

1. 管道必须读，写进程同时open会阻塞
2. 如果管道中没有数据，那么read就会堵塞
3. 管道的写端关闭，读read返回值为0，终止程序
4. 管道的读端关闭，写端写入时产生信号，终止程序
5. 管道打开的时候只有只读和只写两种方式，不能是读写方式，因为读写方式是未定义的
6. 管道是半双工的：
   1. 全双工、单工、半双工、
   2. 全双工：任意时刻都是双向的
   3. 半双工：某一时刻只能是一个方向
   4. 单：发送方和接收方只有一个方向
7. 管道文件大小永远为0

四、管道的实现

open打开管道后，会开辟如下所示大小的空间：

头指针:当前待写入的数据位置

尾指针：当前待读取数据的位置，图示为即将读取h

abcdefg为已经读取的数据，用户使用过的空间可以被重新利用，当前空间满了可以写入在缓冲区指针位置。--相当于循环队列

IPC机制有：IPC进程间通信。