UNIX进程间通信之管道(参考UNIX环境编程)

目录

一 概述

二  管道API

三 管道本身特点 

四 管道读写特点(假设没有给管道设置非堵塞标志)

五 管道图像描述

六 一些管道用法

1 创建一个连接到另一个进程的管道

2 通过两个管道让父进程和子进程1 同步 2 避免竞争

七 popen与pclose函数

八 协同进程概念


一 概述

        管道是UNIX间进程间通信最古老一种方式  所有UNIX系统都支持这种方式 。

二  管道API

        


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

功能:创建无名管道。
​
参数:fd : 为 int 型数组的首地址  该数组大小为2。

返回值:成功:0 失败:-1
    
当函数调用成功时,经由参数 fd返回两个文件描述符 : fd[0]为读打开 fd[1]为写打开 。

通俗一点说就是 当函数调用成功时 数组fd第一个元素会写入 管道读端文件描述符 数组第二个元素会写入

管道写端文件描述符 (fd[0]保存读端文件描述符 fd[1]保存文件写端文件描述符)。

​

设置非堵塞管道 

#include<fcntl.h>

int flag = fcntl(fd[0], F_GETFL);

flag |= O_NONBLOCK;

fcntl(fd[0], F_SETFL, flags);


查看管道缓冲区大小

#include<unsitd.h>

long num = fpathconf(fd[0], _PC_PIPE_BUF);  num即为缓冲区大小





三 管道本身特点 

        1 半双工 数据同一时刻只能在一个方向上流动 (引用书上原话 : 目前某些系统实现了全双工 但是为了最佳的可移植性 我们绝不应预先假设系统支持全双工管道  ! ! ! )。

        2 管道没有名字 , 只能在具有公共祖先的两个进程之间使用 ! 通常用于父子进程之间通信 ! (兄弟进程也可以( 一个父进程创建了两个子进程 这两个子进程称为兄弟进程))

        3 管道只能从一端写入 , 一端读出 

        4 先进先出  先写进去的数据最先被读出来 (可以类比一下数据结构队列 即先进先出的特点)

        5 管道不是普通文件 , 不属于某个文件系统  ,它存在于内存中 ,由内核维护。 

        6 管道在内存中对应一个内核缓冲区 可用命令 ulimit -a 查看  或通过函数 fpathconf 查看( 通常为512字节)

        7 管道中传输的数据没有格式限制 

四 管道读写特点(假设没有给管道设置非堵塞标志)

        1 当读(read)一个写端被关闭的管道 , 在管道中数据被读取完后 , 再次read会返回0。

        2 当读(read)一个写端没有被关闭的管道 , 在管道中数据被读取完后,如果写端也没有写入数据 ,再次read会堵塞 直到写端写入数据

        3 当写(write)一个读端被关闭的管道 , 会产生信号 SIGPIPE 通常会导致进程异常终止 也可对其进行捕捉 自己编写该信号处理程序 此时 write 函数返回 -1 ,errno设置为EPIPE

        4  当写(write)一个读端没有被关闭的管道 , 如果写满了管道 再次write 会堵塞直到 管道数据被读端读取 管道由空位置时 才能继续写(write)。

        5 从管道读时一次性操作,数据一旦被读走 ,就会被管道抛弃 ,释放空间以供新数据写入。

        

五 管道图像描述

                                                                单个进程管道描述

                      单个进程管道几乎没有什么用处 通常进程会先调用pipe接着 调用fork 从而创建从父进程到子进程的IPC通道

                                                        fork之后的半双工管道

                     fork之后做什么取决于我们想要的数据流方向 对于父进程给子进程发送数据的需求,

我们这样做:父进程关闭读端 , 子进程关闭写端。

                                                数据从父进程流入子进程的管道

六 一些管道用法

1 创建一个连接到另一个进程的管道

将管道描述符复制到标准输入或标准输出上。通常,子程序会在此之后执行另一个程序(通过调用exec类函数) 

       举个栗子 编写一个程序,其功能是每次一页一页地显示已经产生的输出(书上的例题) 

       pager是一个分页程序 可以将将标志输入获得的数据 进行一面一面的输出 类似于man出来的页面 

       要求通过管道将要输出的数据送给pager。

       大致思路 : 父进程fopen一个要分页输出的文件  创建一个管道 fork一个子进程

       对于父进程:1 关闭 fd[0]  

                           2 通过fgets循环读取该文件 , 每次读取后 写入管道 

        对于子进程:1 关闭 fd[1]

                            调用dup2函数 复制fd[0] 使子进程的标准输入成为管道的读端

                            子进程关闭fd[0] 

                            调用exec类函数 子进程执行分页程序pager 

       代码书上443页 这里我就不添加代码了 分享几个我在code这个例题时遇到的问题以及我的看法

        问题1: 子进程exec成pager程序我能理解但是父进程写入管道的数据咋就成了pager输出的数据了呢?pager也没读标准输入啊。

        dup2是一个复制文件描述符的函数 子进程调用dup2(fd[0],STDIN_FILENO) 这个函数使得文件描述符0成为了管道的读端。然后关闭fd[0] (具体做法是 先关闭文件描述符0,也就是关闭标准输入 ,再让0成为管道读端的文件描述符 具体可自行查询dup2函数) 但是文件描述符0被默认当作标准输入通过上面这些操作使得管道的流向不再是fd[0]了 而是子进程的标准输入 而pager函数正是从标准输入读取数据 所以调用exec类函数后 pager程序从管道获取数据 将其一页一页的打印

        问题2:exec后原来打开的文件描述符会关闭吗?

        不会 

        如果不给某文件描述符设置执行时关闭标志 调用exec类函数后并不关闭这个文件描述符 也就是调用exec类函数后 子进程的管道读端并不会关闭

        

通过两个管道让父进程和子进程1 同步 2 避免竞争

        直接上代码通俗易懂     

5个函数实现
    
#include<apue.h>

static int fd1[2],fd2[2];

void TELL_WAIT(void){
    if(pipe(fd1)  < 0 || pipe(fd2) < 0)
        err_sys("pipe error");
}

void TELL_PARENT(pid_t pid){
    if(write(fd2[1],"c",1) != 1)
        err_sys("write error");
}

void WAIT_PARENT(void){
    char c  ;
    if( read(fd1[0],&c,1) != 1)
        err_sys("read error");
    if( c != 'p')
        err_quit("WAIT_PARENT:incorrect data");
        
}

void TELL_CHILD(pid_t pid){
    if(write(fd1[1],"p",1) != 1)
        err_sys("write error");
}

void WAIT_CHILD(void){
    char c  ;
    if( read(fd2[0],&c,1) != 1)
        err_sys("read error");
    if( c != 'c')
        err_quit("WAIT_CHILD:incorrect data");
        
}

用法
...... 代表你想执行的代码

父进程与子进程同步

TELL_WAIT()
fork之后
父进程{
    TELL_CHILD(pid);
    WAIT_CHILD() ;
    ......
    exit(0);
}
子进程{
    TELL_PARENT(getppid())
    WAIT_PARENT() ;
    ......
    exit(0);
}


避免父进程子进程竞争(以子进程先运行为例 反之亦然)

TELL_WAIT()
fork之后
父进程{
    WAIT_CHILD() ;
    ......
    exit(0);
}
子进程{
    ......
    TELL_PARENT(getppid())
    exit(0);
}

七 popen与pclose函数

#include<stdio.h>

FILE * popen(const char *cmdstring , const char *type) 
                                         返回值:成功 返回文件指针 ; 失败 返回NULL


int pclose(FILE *fp)
                                         返回值:成功 返回cmdstring的终止状态; 失败返回-1

cmdstring :文件路径
type  : 打开方式  "r" 和 "w" 两种形式

管道常用的操作是创建一个连接到另一个进程的管道 , 然后读其输出的数据向其输入端发送数据

即六 1 的用法  由于其繁琐 标准I/O库提供了这两个函数 popen与pclose  

popen函数大致介绍: 
        1 创建一个管道

        2 fork一个子进程

        3 如果 type 为 "r"

                父进程: 关闭写端  调用fdopen()函数 返回指向父进程读管道文件描述符的文件指针

                子进程: 关闭读端  调用dup2(fd[1],STDOUT_FILENO) close(fd[1]); 让子进程标准输出成为子进程管道写端 调用exec类函数 执行cmdstring程序 

           如果 type 为 "w"

                父进程: 关闭读端  调用fdopen()函数 返回指向父进程写管道文件描述符的文件指针

                子进程: 关闭写端  调用dup2(fd[0],STDIN_FILENO) close(fd[1]); 让子进程管道读端成为子进程标准输入 调用exec类函数 执行cmdstring程序 

pclose函数大致介绍

        1 调用fclose(fp)关闭文件指针

        2 调用waitpid回收子进程资源

                                                                                                           详细可以见书p437 438 439页

    

八 协同进程概念

        当一个过滤程序既产生某个过滤程序的输入,又读取该过滤程序的输出时 它就成了协同进程

        例如下图

        

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