Linux编程基础 5.1：管道

1 简介

Linux进程通信机制：

  • 管道
  • 信号量
  • 消息队列
  • 共享内存
  • socket通信

2 管道

在这里插入图片描述
管道其实质是由内核管理的一个缓冲区
形象地认为管道的两端连接着两个进程：

  • 一个进程进行信息输出，将数据写入管道；
  • 另一个进程进行信息输入，从管道中读取信息。

管道分为：

  • 匿名管道：只能用于有亲缘关系的进程间通信，进程退出后管道会被销毁。
  • 命名管道：命名管道与进程的联系较弱，相当于一个读写内存的接口，进程退出后，命名管道依然存在。

2.1 匿名管道

匿名管道的使用流程如下：
①在进程中创建匿名管道，pipe函数；
②关闭进程中不使用的管道端口，close函数；
③在待通信的进程中分别对管道的读、写端口进行操作，read/write函数；
④关闭管道，close函数。

2.1.1 pipe函数

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);

功能：创建匿名管道

参数说明：

  • pipefd：传入参数，一个文件描述符数组；Linux将管道抽象为一个特殊文件。

返回值说明：

  • 成功：返回0.
  • 不成功：返回-1。

【案例1】使用pipe()实现父子进程间通信，父进程作为读端，子进程作为写端。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main(){int tempFd[2];//定义文件描述符数组int tempRet=pipe(tempFd);//创建管道if(tempRet == -1){   perror("pipe");exit(1);}   pid_t tempPid=fork();if(tempPid > 0){//父进程—读close(tempFd[1]);//关闭写端char tempBuf[64]={0};tempRet = read(tempFd[0], tempBuf, sizeof(tempBuf));//读数据close(tempFd[0]);write(STDOUT_FILENO, tempBuf, tempRet);//将读到的数据写到标准输出wait(NULL);} else if(tempPid == 0){//子进程—写close(tempFd[0]);//关闭读端char *tempStr="hello,pipe\n";write(tempFd[1], tempStr, strlen(tempStr)+1);//写数据close(tempFd[1]);}//of ifreturn 0;
}//of main

分析如下：
pipe()创建管道后读端的文件描述符为fd[0]，写端的文件描述符为fd[1]；
调用fork后父子进程共享文件描述符，文件描述符与管道的关系如图所示：
在这里插入图片描述

父进程进行读操作，子进程进行写操作；使用close()函数关闭父进程的写端与子进程的读端。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2.1.2 dup2函数

【案例2】使用管道实现兄弟进程间通信，兄弟进程实现命令“ls | wc –l”的功能。

  • 在实现本案例时会用到重定向函数dup2：
#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);
  • 其功能是将参数oldfd的文件描述符复制给newfd
  • 若函数调用成功则返回newfd
  • 否则返回-1，并设置errno。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(){int tempFd[2];int tempRet = pipe(tempFd);if(tempRet == -1){perror("pipe err");exit(1);}//of if   int i;pid_t tempPid, tempWpid;for(i=0; i<2; i++){//2个子if((tempPid = fork()) == 0){break;}//of if}//of ifif(2 == i){//父进程，回收子进程close(tempFd[0]); //关闭读close(tempFd[1]); //关闭写tempWpid = wait(NULL);printf("wait child 1 success,pid=%d\n", tempWpid );tempPid = wait(NULL);printf("wait child 2 success,pid=%d\n", tempPid);} else if(0 == i){//子进程1—写close(tempFd[0]);dup2(tempFd[1], STDOUT_FILENO);//定向到标准输出execlp("ls", "ls", NULL);} else if(1 == i){//子进程2—读close(tempFd[1]);dup2(tempFd[0], STDIN_FILENO);execlp("wc", "wc", "-l", NULL);}//of ifreturn 0;
}//of main

注意：

int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

execlp是一个可变参数函数。它需要2个const char *。其余的参数(如果有的话)为转移到运行程序的附加参数，也是char * ，最后一个参数必须是NULL指针。
所以，文件参数是要执行的可执行文件的路径名。 arg是我们想在可执行文件中显示为argv [0]的字符串。按照惯例，argv [0]只是可执行文件的文件名，通常它被设置为与文件相同。

兄弟进程间通信，进程文件描述符与管道的关系如图所示：
在这里插入图片描述:
实线所示的箭头为编程中需要保留的文件描述符

2.1.3 popen/pclose函数

Linux标准I/O库两个函数popen()和pclose()，可完成管道通信的流程。

#include <stdio.h>
FILE *popen(const char *command, const char *type);
int pclose(FILE *stream);

功能：
popen函数的功能是：

  • 调用pipe()函数创建管道；
  • 调用fork()函数创建子进程；
  • 之后在子进程中通过execve()函数调用shell命令执行相应功能。

pclose函数的功能：

  • 关闭popen()打开的I/O流；
  • 通过调用wait()函数等待子进程命令执行结束；
  • 返回shell的终止状态，防止产生僵尸进程。

参数说明：
popen函数的参数：

  • command：命令;
  • type：指定命令类型（输入w/输出r）；

pclose函数的参数：

  • stream：I/O流。

返回值说明：
popen函数的返回值：

  • 成功：管道文件的描述符；
  • 不成功：返回-1。

pclose函数的返回值：

  • 成功：0；
  • 不成功：-1。

【案例3】使用popen与pclose函数实现管道通信。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(){FILE *tempRfp,*tempWfp;char temBuf[100];tempRfp = popen("ls","r");		//读取命令执行结果tempWfp = popen("wc -l","w");	//将管道中的数据传递给进程while(fgets(temBuf, sizeof(temBuf), tempRfp)!=NULL){fputs(temBuf, tempWfp);}//of while   pclose(tempRfp);pclose(tempWfp);return 0;
}//of main

2.2 命名管道

#include <sys/type.h>
#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

功能：创建命名管道（FIFO文件），命名管道与系统中的一个路径名关联，以文件的形式存在于文件系统中，通过FIFO的路径名访问FIFO文件，实现进程间通信。

参数说明：

  • pathname：管道文件的路径名，通过FIFO路径名访问FIFO文件;
  • mode：指定FIFO的权限；

返回值说明：

  • 成功：0；
  • 不成功：-1，并设置errno。

【案例4】使用FIFO实现没有亲缘关系进程间的通信。没有亲缘关系的进程间通信，需要两段程序来实现：

  • fifo_write.c实现FIFO的写操作；
  • fifo_read.c实现FIFO的读操作。
fifo_write.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main(int paraArgc,char *paraArgv[]){if(paraArgc < 2){							//判断是否传入文件名printf("./a.out fifoname\n");exit(1);}//of ifint tempRet = access(paraArgv[1], F_OK);	//判断fifo文件是否存在if(tempRet == -1){							//若fifo不存在就创建fifo int tempFIFO = mkfifo(paraArgv[1], 0664);if(tempFIFO == -1){						//判断文件是否创建成功perror("mkfifo");exit(1);} else{printf("fifo creat success!\n");}//of if}//of ifint tempFd = open(paraArgv[1], O_WRONLY);		//读写方式打开while(1){									//循环写入数据char *tempStrp="hello,world!";write(tempFd, tempStrp, strlen(tempStrp)+1);sleep(1);}//of whileclose(tempFd);return 0;
}//of mainfifo_read.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main(int paraArgc,char *paraArgv[]){if(paraArgc < 2){						//判断是否传入文件名printf("./a.out fifoname\n");exit(1);}//of ifint tempRet = access(paraArgv[1], F_OK);	//判断fifo文件是否存在if(tempRet == -1){						//若fifo不存在就创建fifo int tempFIFO = mkfifo(paraArgv[1], 0664);if(tempFIFO == -1){					//判断文件是否创建成功perror("mkfifo");exit(1);} else{printf("fifo creat success!\n");}//of if}//of ifint tempFd = open(paraArgv[1], O_RDONLY);	//只读方式打开if(tempFd == -1){perror("open");exit(1);}//of ifwhile(1){								//不断读取fifo中的数据并打印char temBuf[1024]={0};read(tempFd, temBuf, sizeof(temBuf));printf("buf=%s\n", temBuf);}//of whileclose(tempFd);							//关闭文件return 0;
}//of main

FIFO文件和普通文件的区别：

  • FIFO文件是对内存进行操作；
  • 普通文件是存储在硬盘；
  • 对内存的的读取会比硬盘的读写要快很多；
  • 两个进程通过普通文件通信当然也是可以的。

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