匿名管道pipe
管道的概念
管道是一种最基本的IPC机制，也称匿名管道，应用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe函数即可创建一个管道。
有如下特质：
- 管道的本质是一块内核缓冲区，内部的实现是环形队列；
- 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端；
- 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出管道（数据的流向是单向的）；
- 数据被读走之后，相应的数据在管道中也就消失了，当两个进程都终结的时候，管道也自动消失；
- 管道的读端和写端默认都是阻塞的。
管道的原理
- 管道的实质是内核缓冲区，内部使用环形队列实现。
- 默认缓冲区大小为4K，可以使用
ulimit -a命令获取大小。 - 实际操作过程中缓冲区会根据数据压力做适当调整。
管道的局限性
- 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
- 数据只能在一个方向上流动，若要实现双向流动，必须使用两个管道
- 只能在有血缘关系的进程间使用管道。
创建管道-pipe函数
函数作用
创建一个管道
函数原型
cpp
#include <unistd.h>
/* On Alpha, IA-64, MIPS, SuperH, and SPARC/SPARC64; see NOTES */
struct fd_pair {
long fd[2];
};
struct fd_pair pipe();
/* On all other architectures */
int pipe(int pipefd[2]);
#define _GNU_SOURCE /* See feature_test_macros(7) */
#include <fcntl.h> /* Obtain O_* constant definitions */
#include <unistd.h>
int pipe2(int pipefd[2], int flags);函数参数
若函数调用成功，fd[0]存放管道的读端，fd[1]存放管道的写端
函数返回值
- 成功返回
0； - 失败返回
-1，并设置errno值。
函数调用成功返回读端和写端的文件描述符，其中fd[0]是读端， fd[1]是写端，向管道读写数据是通过使用这两个文件描述符进行的，读写管道的实质是操作内核缓冲区。
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？
先使用 pipe 创建管道然后再使用 fork 创建子进程，此时父子进程同时拥有管道的读端和写端。如果要进行单工通信那么父子进程各关闭一端即可，但是要关闭的不能是同端。如果要实现双工通信，可以一开始使用 pipe 创建两个管道。
父子进程使用管道通信
一个进程在由pipe()创建管道后，一般再fork一个子进程，然后通过管道实现父子进程间的通信（因此也不难推出，只要两个进程中存在血缘关系，这里的血缘关系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式来进行通信）。父子进程间具有相同的文件描述符，且指向同一个管道pipe，其他没有关系的进程不能获得pipe()产生的两个文件描述符，也就不能利用同一个管道进行通信。
第一步：父进程创建管道
第二步：父进程fork出子进程
第三步：父进程关闭fd[0]，子进程关闭fd[1]
创建步骤总结：
- 父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]和fd[1]，分别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，这样就实现了父子进程间通信。
父子进程间使用管道通信示例
c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
int fd[2];
int ret = pipe(fd);
pid_t pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("fork error");
return -1;
}
else if (pid > 0) {
close(fd[0]);
char content[] = "hello pipe";
write(fd[1], content, sizeof(content));
wait(NULL);
}
else {
close(fd[1]);
char buf[1024];
read(fd[0], buf, sizeof(buf));
printf("%s\n", buf);
}
return 0;
}管道的读写行为
读操作
- 有数据 read正常读，返回读出的字节数
- 无数据
- 写端全部关闭 read解除阻塞，返回0，相当于读文件读到了尾部
- 没有全部关闭 read阻塞
写操作
- 读端全部关闭 管道破裂，进程终止，内核给当前进程发SIGPIPE信号
- 读端没全部关闭
- 缓冲区写满了 write阻塞
- 缓冲区没有满 继续write
如何设置管道为非阻塞
默认情况下，管道的读写两端都是阻塞的，若要设置读或者写端为非阻塞，则可参考下列三个步骤进行：
cpp
//第1步：
int flags = fcntl(fd[0], F_GETFL, 0);
//第2步：
flags |= O_NONBLOCK;
//第3步：
fcntl(fd[0], F_SETFL, flags);若是读端设置为非阻塞：
- 写端没有关闭，管道中没有数据可读，则read返回
-1 - 写端没有关闭，管道中有数据可读，则read返回实际读到的字节数
- 写端已经关闭，管道中有数据可读，则read返回实际读到的字节数
- 写端已经关闭，管道中没有数据可读，则read返回
0
如何查看管道缓冲区大小
命令
ulimit -a函数
cpp
long fpathconf(int fd, int name);
printf("pipe size==[%ld]\n", fpathconf(fd[0], _PC_PIPE_BUF));
printf("pipe size==[%ld]\n", fpathconf(fd[1], _PC_PIPE_BUF));练习
一个进程能否使用管道完成读写操作呢？
可以，但是没有必要
父子进程间通信，实现
ps aux | grep bash使用execlp函数和dup2函数
cpp#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/wait.h> #include <unistd.h> int main(int argc, char *argv[]) { int fd[2]; int ret = pipe(fd); pid_t pid = fork(); if (pid < 0) { perror("fork error"); return -1; } else if (pid > 0) { close(fd[1]); dup2(fd[0], STDIN_FILENO); wait(NULL); execlp("grep", "grep", "bash", NULL); } else { close(fd[0]); dup2(fd[1], STDOUT_FILENO); execlp("ps", "ps", "-ef", NULL); } return 0; }程序输出：
shell$ gcc pipe01.c $ ./a.out ubuntu 52990 1 0 Mar07 pts/29 00:00:00 /bin/bash ubuntu 58180 1 0 Mar07 pts/35 00:00:00 /bin/bash ... ... ubuntu 839346 839340 0 11:47 ? 00:00:00 bash ubuntu 839564 839563 0 11:47 pts/173 00:00:00 -bash ubuntu 846505 795553 0 12:31 pts/175 00:00:00 /bin/bash ubuntu 848420 846505 0 12:40 pts/175 00:00:00 grep bash $兄弟进程间通信，实现
ps aux | grep bash使用execlp函数和dup2函数，父进程要调用waitpid函数完成对子进程的回收
cpp#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <syss/linuxHeader.h> #include <time.h> int main(int argc, char *argv[]) { int fd[2]; int ret = pipe(fd); for (int i = 0; i < 2; ++i) { ret = fork(); ERR_CHECK(ret, -1, "fork faild", -1); if (ret == 0) { if (i == 0) { close(fd[0]); dup2(fd[1], STDOUT_FILENO); execlp("ps", "ps", "-elf", NULL); } else if (i == 1) { close(fd[1]); dup2(fd[0], STDIN_FILENO); execlp("grep", "grep", "bash", NULL); } } } close(fd[1]); close(fd[0]); waitpid(0, NULL, 0); return 0; }程序输出：
bash
$ ./a.out
0 S syss 122624 121718 0 80 0 - 5443 do_wai 4月24 pts/0 00:00:01 /usr/bin/bash --init-file /usr/share/code/resources/app/out/vs/workbench/contrib/terminal/common/scripts/shellIntegration-bash.sh
0 S syss 124463 121718 0 80 0 - 5376 do_sel 4月24 pts/1 00:00:00 /usr/bin/bash --init-file /usr/share/code/resources/app/out/vs/workbench/contrib/terminal/common/scripts/shellIntegration-bash.sh
0 S syss 308748 308746 0 80 0 - 4358 pipe_r 18:21 pts/0 00:00:00 grep bash