Linux進程間通信——管道

本文轉載自：http://blog.csdn.net/Xiejingfa/article/details/50819660

進程間通信，英文又稱作IPC（InterProcess Communication）就是在不同的進程之間交換信息。我們知道，進程的用戶是相空間互獨立的，不能相互訪問，所以爲了使得進程間可以相互通信，操作系統需要提供一種介質使通信雙方都可以訪問。類似這樣的介質有很多，比如磁盤上的文件，我們只要協調好進程訪問文件的順序，一個進程先“寫”，一個進程後“讀”，這樣，兩者就可以相互交換信息了。又比如我們經常使用的數據庫，也可以作爲信息交換的媒介。但是這些通信手段效率都太低了，需要在系統級別提供高效的進程間通信手段。今天我們就來介紹一種最古老的進程間通信方式 – 管道。

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1、什麼是管道？

如果你熟悉Linux系統，一定不會對管道感到陌生。在Linux系統中，我們經常通過符號“|”來使用管道，用以連接兩個或多個命令。那管道是什麼？實際上，管道是進程與進程間的數據流通道，它使得數據可以以一種“流”的形式在進程間流動。

管道也是Unix/Linux系統中一種最常見的進程間通信方式，它在兩個通信進程之間實現一個數據流的通道從而進行信息傳遞。

管道通信具有以下特點：

1. 管道是沒有名字的，因此有稱爲匿名管道。它在系統中是沒有實名的，不能在文件系統中看到管道。
2. 在大多數系統中，管道通信是半雙工的，也就是說數據只能在一個方向上流動。
3. 管道中傳送的是無格式的字節流。
4. 管道的緩衝區是有限的，它的大小在include/linux/limits.h中由PIPE_BUF定義。
5. 管道只能用於具有親緣關係的進程間進行通信，如父子進程或者兄弟進程。

2、管道的創建

Linux下管道是通過pipe函數創建的，函數原型如下：

 #include <unistd.h>
 int pipe(int pipefd[2]); // 若成功則返回0，出錯則返回-1

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其中參數pipefd[2]是一個長度爲2的文件描述符數組，pipefd[0]是讀端，pipefd[1]是寫端。

管道的關閉則使用close函數。

 #include <unistd.h>
 int close(int fd);

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管道關閉時，需要將pipefd[0]和pipefd[1]都關閉掉。

我們先用一段代碼演示一下管道的創建：

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

int main()
{
    char buf[128];
    int fd[2];
    if (pipe(fd) < 0)
    {
        printf("pipe error!\n");
        exit(1);
    }

    write(fd[1], "Hello World!", 12);
    bzero(buf, sizeof(buf));
    read(fd[0], buf, sizeof(buf));
    printf("%s\n", buf);
    close(fd[0]);
    close(fd[1]);
    return 0;
}

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代碼輸出如下：

Hello World!

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在上面的例子中，我們使用pipe（）函數創建了一個管道。到這裏你可能會感到奇怪：不是說管道是進程間通信的方式嗎？在單個進程中創建管道，然後從一段寫入從另一端讀出有什麼意義？下面我們重點講解一下管道如何實現進程間通信。

3、管道的讀寫

正如你所想的，在單個進程中的創建管道幾乎沒有意義。前面我們說過管道只能用於父子進程或者兄弟進程間進行通信，通常我們先創建pipe，接着調用fork函數，從而創建從父子進程或者兄弟進程間的ipc通道。

爲什麼這樣就能創建進程通信的管道呢？其中的功臣就是fork函數。fork函數創建出來的子進程是父進程的一個拷貝，子進程從父進程中得到數據段和堆棧段的拷貝。這樣，父子都擁有事先創建管道的文件描述符，都可以往管道中讀寫信息。一般用於文件的IOh函數如read、write等都可以用於管道的讀寫。

如下圖所示：

經過fork函數調用之後，父子進程間存在兩種數據流向的管道：一個是從父進程到子進程的數據通道，另一個是從子進程到父進程的數據通道。管道只支持半雙工通信，所以我們必須關閉其中一個數據通道！！

比如：如果你想建立一個父進程到子進程的數據通道，就要在父進程中關閉讀端，在子進程中關閉寫端。

通常，利用pipe和fork的組合，我們可以構造父子進程或者兄弟進程間任意方向的的數據通道。

示例：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>

#define BUF_SIZE 256

int main()
{
    int fd[2];
    char data[] = "Hello, I am parent!";
    char buf[BUF_SIZE];
    pid_t pid;

    if (pipe(fd) < 0)
    {
        printf("pipe error!\n");
        exit(1);
    }

    pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        printf("pipe error!\n");
        exit(1);
    }
    else if (pid == 0)
    {
        close(fd[1]);
        int len = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        printf("child: %s\n", buf);
    }
    else 
    {
        close(fd[0]);
        write(fd[1], data, strlen(data));
        printf("parent: %s\n", data);
        sleep(1);
    }
}

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輸出如下：

parent: Hello, I am parent!
child: Hello, I am parent!

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上面的例子演示了利用管道在父進程到子進程的通信，而管道在兄弟進程間通信則需要在父進程調用兩次fork函數創建兩個子進程，在兩個兄弟子進程中維護通信管道。

4、管道讀寫的規則

管道寫入的規則：程序向管道寫入數據時，如果緩衝區有空閒空間，寫進程立即向管道寫入數據。如果緩衝區已滿，那麼寫操作就一直阻塞到讀進程讀走數據爲止。

管道讀取的規則：如果請求的字節數大於PIPE_SIZE，則返回管道中現有的字節數。如果請求的字節數不大於PIPE_SIZE，則返回請求的字節數或現有數據的字節數（管道中的數據量小於請求的數據量）。

如果讀寫一端已經被關閉的管道是呢？

如果讀一個寫端已經被關閉的管道時，當所有的數據都被讀取後，read返回0，表示文件結束。

如果寫一個讀端已經被關閉的管道，則產生SIGPIPE信號。如果忽略該信號或從處理程序中返回後，write函數返回-1，並且errno被設置爲EPIPE。

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參考資料：《UNIX環境高級編程》