【Linux學習筆記】進程間通信之管道

在瞭解管道之前，我們先來了解下進程之間爲什麼需要通信。

1、進程間通信的目的

• 數據傳輸: 一個進程需要將它的數據發送給另一個進程
• 資源共享：多個進程之間共享同樣的資源
• 通知事件： 一個進程需要向另一個或一組進程發送消息，通知它發什麼了某種事件
• 進程控制：有些進程希望完全控制另一個進程的執行，此時控制進程希望能夠攔截另一個所有陷入和異常，並能夠及時知道它的狀態。

那麼爲什麼進程不直接通信呢?
進程具有獨立性，它們時互相獨立的，每個進程都有自己的PCB，在fork（）時，父子進程都採用的是寫時拷貝，因此，在每個進程看來，自己享有所有的內存資源，所以兩個進程不能直接通信。我們只有讓兩個或多個進程訪問到同一個資源，才能達到通信的目的。

2、管道

什麼是管道

• 管道是unix中最古老的進程間通信的形式。
• 我們把一個進程連接到另一個進程的一個數據流稱爲一個“管道”。
• 管道的本質是內核的一塊緩存。

管道的內核緩存大小是65536字節,往管道中寫入數據時，一次寫入大小不要超過PIPE_BUF(4096)

管道分爲兩種：匿名管道和命名管道。

1.匿名管道

#include <unistd.h>
功能:創建一個無名管道
原型：
    int pipe(int fd[2]);
參數：
fd：文件描述符    fd[0]爲表示讀端，fd[1]表示寫端
返回值:成功返回0，失敗返回錯誤代碼

下面我們來看一個例子：

//父進程向管道中寫數據，子進程讀數據

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

int main( void )
{

    int fds[2];
    pipe(fds); // 創建管道

    if ( fork() == 0 ) { // 子進程讀取管道
        close(fds[1]); // 管道的讀端是fds[0], 所以關閉fds[1]

        char buf[100] = {};
        read(fds[0], buf, 100); // 讀取管道中的內容
        printf("child,buf=[%s]\n", buf);
        close(fds[0]); // 關閉管道的讀端
        exit(0);
    } else { // 父進程向管道中寫入數據
        close(fds[0]); // 父進程要往管道中寫數據，所以關閉fds[0]
        char *msg = "this is maomaochong";
        sleep(2);
        write(fds[1], msg, strlen(msg)); // 兩秒之後向管道中寫入數據
        close(fds[1]);
    }
}

fork之後

fork之後關掉不用的描述符

從文件描述符的角度來看：

1.父進程創建管道

2.父進程fork出子進程

3.父進程關閉fd[0],子進程關閉fd[1]

匿名管道的特點

• 只能用於具有共同祖先的進程（具有親緣關係的，兄弟進程也可以）之間通信。
• 一般而言，進程退出，管道釋放。所以管道生命週期隨進程。
• 一般而言，內核會對管道進行同步與互斥。
• 管道提供面向字節流服務，數據只能向一個方向傳輸，雙方傳輸時，需要建起兩個管道。

管道的讀寫規則

• 寫方一隻寫，讀方不讀：write調用阻塞，直到有進程讀走數據。
• 寫方不寫，讀方一直讀：read調用阻塞，直到有數據來爲止。
• 寫方將寫端關閉，讀方一直讀：讀方將讀完然後返回0；
• 寫方一直寫，讀方將讀端關閉：會產生SIGPIPE信號，終止write進程。

2.命名管道

• 匿名管道的一個限制就是必須在具有共同祖先的進程間通信。
• 如果想在毫無相關的進程間交換數據，就要使用命名管道。
• 命名管道是一種特殊類型的文件

創建一個命名管道有兩種方式:

在命令行創建：  
$  mkfifo filename

命名管道可以從程序裏創建，相關函數是;
 int mkfifo(const char8 filename，mode_t mode）;
  成功返回0，失敗返回-1； 

下面我們來看一個例子：
writepipe.c

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

int main( void )
{
    int fd = open("my.p", O_WRONLY);

    char buf[10] = {};
    for (int i=0;  ; i++ ) {
        sprintf(buf, "%c", 'A'+i%26);
        write(fd, buf,  1);
        printf("write %d ok\n", i);
        sleep(1);
    }
}

readpipe.c

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

int main( void )
{
    int fd = open("my.p", O_RDONLY);

    char buf[1024];
    while ( 1 ) {
        memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
        read(fd, buf, 1024);
        printf("buf=[%s]\n", buf);
    }
}

匿名管道與命名管道的區別

• 匿名管道有函數pipe創建並打開
• 命名函數有mkfifo創建，打開用open
• 命名管道與匿名管道之間唯一的區別在他們創建於打開的方式不同，一旦這些工作做好之後，他們具有相同的的語義。
• 最大的區別是：命名管道時文件在硬盤上有對應的文件，而匿名管道是在內核中實現的。

打開規則

• 爲讀打開時：
  無寫方：阻塞直到有相應進程來打開該FIFO
  有寫方：返回成功；
• 爲寫打開：
  無讀方：阻塞直到有相應進程爲讀而打開該FIFO
  有讀方：返回失敗；