【UNIX网络编程】进程间通信之管道

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      管道是最早的Unix进程间通信形式，它存在于所有的Unix实现中。关于管道，有如下几点需要知道：

1、它是半双工的，即数据只能在一个方向上流动。尽管在某些Unix实现中管道可以是全双工的，但需要对系统进行某些设置。在Linux系统中，它是半双工的。

2、它没有名字，因此只能在具有公共祖先的进程之间使用。通常用在父子进程间。尽管这一点随着“有名管道FIFO”的加入得到改正了，但应该把它们看作是两种不同的进程间通信方式。

3、它由pipe函数创建，read和write函数访问，提供单向数据流。除了pipe外，在C函数库里，还有另外一个函数popen完成一个新管道的创建、一个新进程的启动、关闭管道的不使用端、执行shell命令、等待命令终止等一系列操作。

       管道使用示例：

       在shell命令中，我们经常用到"cmd1 | cmd2"这一类的命令，cmd1和cmd2之间就是通过管道来进行连接的。shell负责两个命令的标准的输入好标准输出：

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的标准输出连接到终端屏幕。

知识点1：pipe函数

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);			//返回值：若成功则返回0，若出错则返回-1

       进程调用pipe函数创建一个管道。pipe函数的参数是一个由两个整数类型的文件描述符组成的数组的指针。该函数在数组中成功填入两个新的文件描述符后返回0，如果失败则返回-1并设置errno来表明失败的原因。errno的值有以下三种可能：

       EMFILE：进程使用的文件描述符过多。

       ENFILE：系统的文件表已满。

       EFAULT：文件描述符无效。

两个新填入的文件描述符：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。也就是说利用write函数写到fd[1]的所有数据都可以从fd[0]读出来。示例如下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>


#define MAXLINE 2048


int
main(int argc, char **argv)
{
	int fd[2];
	int data;
	char buff[MAXLINE];
	const char some_data[] = "123";


	memset(buff, '\0', sizeof(buff));


	if(pipe(fd) == -1){
		exit(EXIT_FAILURE);
	}else{
		data = write(fd[1], some_data, strlen(some_data));	
		data = read(fd[0], buff, data);
		printf("read %d bytes : %s\n", data, buff);
		exit(EXIT_SUCCESS);
	}
}

程序运行结果：

book@book-desktop:/work/tmp/unp$ ./a.out 
read 3 bytes : 123

上面的例子是在同一进程中使用管道的例子，但实际使用过程中很少这样使用，一般都是在两个不同进程（通常是父子进程）间进程通信的。两个进程间使用管道的示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define MAXLINE 2048

int
main(int argc, char **argv)
{
	int fd[2];
	int data;
	pid_t child_pid;
	char buff[MAXLINE];
	const char some_data[] = "123";

	memset(buff, '\0', sizeof(buff));

	if(pipe(fd) == 0){
		child_pid = fork();
		if(child_pid == -1){
			fprintf(stderr, "fork error.");	
			exit(EXIT_FAILURE);
		}else if(child_pid == 0){
			close(fd[1]);  //关闭子进程的写入端
			data = read(fd[0], buff, MAXLINE);//从子进程的读取段读取数据	
			printf("read %d bytes: %s\n", data, buff);
			exit(EXIT_SUCCESS);
		}else{
			close(fd[0]);//关闭父进程的读取段
			data = write(fd[1], some_data, strlen(some_data));//从父进程的写入端写入数据
			printf("wrote %d bytes\n", data);
		}	
	}	
	exit(EXIT_SUCCESS);
}

程序运行结果是：

book@book-desktop:/work/tmp/unp$ ./a.out 
wrote 3 bytes
read 3 bytes: 123

或

book@book-desktop:/work/tmp/unp$ ./a.out 
wrote 3 bytes
book@book-desktop:/work/tmp/unp$ read 3 bytes: 123

       当管道的一端被关闭后，下列两条规则起作用：

1、当读一个写端已被关闭的管道时，在所有数据都被读取后，read返回0，以指示达到了文件结束处。

2、如果写一个读端已被关闭的管道，则产生信号SIGPIPE。如果忽略该信号或者捕捉该信号并从其处理程序返回，则write返回-1，errno设置为EPIPE。

上面的两个例子都是半双工的即单向的，只提供一个方向的数据流。当需要一个双向数据流时，必须创建两个管道，每个方向一个。实际步骤如下：

1、创建管道1和管道2

2、fork

3、父进程关闭管道1的读出端、关闭管道2的写入端

3、子进程关闭管道1的写入端、关闭管道2的读出端。

知识点2：popen和pclose函数

       popen和pclose函数不是Unix实现的，它们时标准I/O库提供的，它们实现的操作时：创建一个管道，调用fork产生一个子进程，关闭管道的不使用端，执行一个shell以运行命令，然后等待命令终止。

#include <stdio.h>
FILE *popen(const char *cmdstring, const char *type);//返回值：若成功则返回文件指针，若出错则返回NULL
int     pclose(FILE *fp);//返回值：cmdstring的终止状态，若出错则返回-1

函数popen先执行fork，然后调用exec以执行cmdstring，并且返回一个标准I/O文件指针。

如果type是“r”，则文件指针连接到cmdstring的标准输出，返回的文件指针时可读的。

如果type是“w”，则文件指针连接到cmdstring的标准输入，返回的文件指针时可写的。

图示popen如下：

如果type是"r"，被调用程序的输出就可以由调用程序使用，调用程序利用popen函数返回的文件指针，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type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上读取这些数据。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int
main(int argc, char **argv)
{
	FILE *read_fp;
	char buff[BUFSIZ + 1];
	int  chars_read;
	memset(buff, '\0', sizeof(buff));
	read_fp = popen("uname -a", "r");//打开连接到uname命令的管道，把管道设置为可读方式并让read_fp指向该命令输出
	if(read_fp != NULL){
		chars_read = fread(buff, sizeof(char), BUFSIZ, read_fp);	
		if(chars_read > 0)
				printf("Output was : -\n%s\n", buff);
		pclose(read_fp);
		exit(EXIT_SUCCESS);
	}
	exit(EXIT_SUCCESS);
}

Output was : -
Linux book-desktop 2.6.31-14-generic #48-Ubuntu SMP Fri Oct 16 14:04:26 UTC 2009 i686 GNU/Linux

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int
main(int argc, char **argv)
{
	FILE *fp;
	char buffer[BUFSIZ + 1];

	sprintf(buffer, "Once upon a time there was ...\n");
	fp = popen("od -c", "w");
	if(fp != NULL){
		fwrite(buffer, sizeof(char), strlen(buffer), fp);	
		pclose(fp);
		exit(EXIT_SUCCESS);
	}
	exit(EXIT_SUCCESS);
}

0000000   O   n   c   e       u   p   o   n       a       t   i   m   e
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