1、背景
1.1 參考資料
https://blog.csdn.net/maopig/article/details/77800124
2、進程間通信
每個進程有獨立的地址空間，任何一個進程的全局變量在另一個進程中都是看不見的。因此進程間要交換數據必須通過內核，在內核中開闢一塊緩衝區，進程1把數據從用戶空間拷貝到內存緩衝區，進程2再從內核緩衝區把數據讀走。內核提供的這種機制稱爲進程間通信(IPC, inter process communication)。
對於32位Linux內核地址空間劃分0~3G爲用戶空間，3~4G爲內核空間。邏輯地址。
3、管道
3.1 匿名管道緩衝區的實現機制
管道是最基本的IPC機制。在內核中開闢一塊緩衝區(稱爲管道 pipe)，提供一個讀端文件描述符和一個寫端文件描述符，供用戶通信。
在linux中，管道的實現並沒有專門的數據結構，而是藉助了文件系統的file結構和VFS的索引節點inode。通過將兩個file結構指向同一個臨時的VFS索引節點，而這個索引節點又指向一個物理頁面而實現的。
所上圖所示，兩個file數據結構定義文件操作例程地址(f_op)是不同的，其中一個是向管道寫入數據的例程地址，而另一個是從管道讀取數據的例程地址。就這樣，用戶程序就可以對管道的兩個文件描述符分別進行read、write系統調用(表現的依舊是文件操作)，而內核卻利用這種抽象機制實現了管道這一特殊操作。普通管道僅供具有共同祖先的兩個進程之間共享，並且這個祖先已經爲他們建立了供他們使用的管道。因爲文件描述符是針對進程的。
3.2 匿名管道這個緩衝區有多大
內核給我們創建的管道的buffer有多大，是由pipe buf 和緩衝條目的數量共同決定的。pipe buf *條數 == pipe capactiy;
pipe buf定義了內核管道緩存區的容量，這個值由內核設定，可以通過ulimit-a命令查看
從查看到的資源看pipe size 512bytes * 8 = 4096bytes。即一次原子寫入爲4096字節。
當然另一個與之對應的緩衝條目的個數與linux的內核版本是有關聯的，16條；4096*16 = 65536字節。
當管道滿時，
對於O_NONBLOCK disable的：write調用阻塞，知道有程序讀走數據；
對於O_NONBLOCK enable的：write調用返回-1，errno值爲EAGAIN。
把管道寫滿需要多少字符。經驗是65536個。
3.3 匿名管道的實際應用
頭文件:#include <unistd.h>
原型: int pipe(int fd[2]);
函數說明: pipe()會建立管道，並將文件描述符由參數fl數組返回。fd[0]爲管道的讀取端，fd[1]是管道的寫入端。
返回值: 成功 0 失敗 -1， 錯誤原因存於errno中
錯誤代碼:
EMFILE-----進程已用完文件描述符最大量；
ENFILE-----系統已無文件描述符可用；
EFAULT-----參數fd數組地址非法
開闢管道之後，父子進程是如何實現通信的，如下圖所示步驟通信
1、父進程調用pipe開闢管道，得到連個文件描述符指向管道兩端；
2、父進程調用fork創建子進程，那麼子進程也有兩個文件描述符指向同一個管道；
3、父進程關閉管道讀端，子進程關閉寫端，這樣就可以實現父進程寫，子進程讀的進程間通信了。
即讀的進程，要關閉fd[1]; 寫的進程要關閉fd[0];
3.4匿名管道的限制和優點
限制：
1、匿名管道只能單向通信，要實現雙向通信，要再創建一個管道；
2、管道通信依賴於文件系統，即管道的生命週期隨進程。
3、匿名管腳只能進行在有親緣關係的進程間通信，通常用於父子進程、兄弟進程；
4、管道容量有限
優點:
某些限制，從其他角度看也是優點。
1、自帶同步機制，保證讀寫順序一致------FIFO先進先出。
2、管道的通信被稱爲面向字節流，與通信格式無關。
3、單向通信
3.5 Linux 下標準C庫的匿名管道的函數和應用
在應用匿名管道進行編程時，基本的流程是一樣的:先創建一管道，然後併發一個進程，父子進程間通過管道進行數據交換。
頭文件:<stdio.h>
函數原型: FILE *popen(const char *command, const char *type);
參數: command----要執行的命令串；
type---指定要返回的FILE 類型指針是用於讀，還是寫的。
返回值: NULL---執行失敗，可用errno查錯誤原因。
其他:就是一個標準I/O流。
通過fgets()來獲取執行輸出。
下面舉個栗子
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#define BUFFER_SIZE (1024)
int execute_shell_command(const char *cmd, char * result)
{
if((cmd == NULL) || (result == NULL))
return -1;
FILE * stream = NULL;
if((stream = popen(cmd, "r")) == NULL)
{
perror("popen");
}
while(fget(result, BUFFER_SIZE, stream) != NULL)
{
pclose(stream);
stream = NULL;
return 0;
}
}
void main(void)
{
char * command = "pwd 2>/dev/null; echo $?";
char result[BUFFER_SIZE] = {0};
if(execute_shell_command(command, result)!=-1)
{
printf("reslut = %d\n", result);
}
else
{
printf("execute shell %s failed\n", command);
}
}
3.6 Linux 下有名管道
有名管道可以在不具有親緣關係的進程間實現數據通信。與匿名管道不同，有名管道可通過路徑名指出，並且在文件系統中是可見的。匿名管道文件描述符指向的文件(緩衝區)是在內存上的。
有名管道FIFO(First in first out)是特殊的文件，它是嚴格地遵循先進先出規則，即對管道和FIFO的讀總是從開始出返回數據，對它們的寫則是把數據添加到末尾。注意不支持lseek等文件定位操作。
有名管道之所以可以實現進程間的通信在於通過同一路徑名，可以看到同一份資源，這份資源以FIFO的文件形式存在於文件系統中。
在創建管道成功之後，就可以使用open、read、write這些函數了。
創建有名管道----在文件系統中創建一個專用文件，該文件用於提供FIFO功能。
頭文件:#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
函數原型: int mkfifo(const char * filename, mode_t mode);
參數: filename-----指定了文件名
mode-----指定了新建文件的訪問權限，與文件的訪問權限相同，如0644.
O_RDONLY 讀管道
O_WRONLY 寫管道
O_RDWR 讀寫管道
O_NONBLOCK 非阻塞
O_CREAT 如文件不存在，則創建一個新的文件，並用第三的參數爲其設置權限。
O_EXCL 如使用O_CREAT時文件存在，那麼可返回錯誤信息。這一參數可測試文件是否存在。
返回值: 0 函數執行成功； -1:執行失敗，可查詢errno獲取錯誤詳細信息。
創建一個名爲pathname的文件系統節點(文件、設備文件、有名管道)，其屬性有mode和dev指定。
頭文件:#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
函數原型: int mknod(const char * pathname, mode_t mode, dev_t dev);
pathname:
mode: 指定要用到的權限和創建的節點的類型。
權限:（mode&（~umask)）
類型: S_IFREG, S_IFCHR, S_IFBLK, S_FIFO 或S_IFSOCK，以分別指定普通文件(創建後爲空)，字符特殊文件、塊特殊文件、FIFO(有名管道)、UNIX域套接字。
dev:
mknod是比較老的函數，而mkfifo函數更加簡單和規範。儘量使用mkfifo而不是mknod.
需要注意的是:有名管道FIFO這一專用文件，讀寫打開方式有所不同，有兩種方式:阻塞方式與非阻塞方式。在缺省狀態下，open打開的是以阻塞方式打開。
在非阻塞方式下: 只讀方式打開管道，立即返回。以寫方式打開管道，若之前沒有以讀方式打開管道的進程，則返回失敗，錯誤信息爲ENXIO。
在阻塞方式下:當打開一個管道用於讀時，如果沒有打開管道用於寫的進程，則該打開操作將被阻塞，直到有一個進程用寫的方式打開該管道爲止。同樣，先打開寫，也要等有進程打開讀。
具體使用如下所示:
下面以阻塞的方式打開匿名管道，看看讀寫的阻塞情況。
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define FIFO "/tmp/myfifo"
int main(void)
{
char* buf = "I am jimmy.";
int fd;
if((mkfifo(FIFO, O_CREAT|O_EXCL) < 0)&&(errno != EEXIST)) /*創建有名管道，訪問權限爲644*/
{
printf("cannot crate fifoserver\n"); /*錯誤處理*/
}
printf("Preparing for reading bytes...\n");
if(fd = open("p1", O_WRONLY, 0) < 0)
{
perror("open");
exit(-1);
}
write(fd, buf, strlen(buf));
close(fd);
sleep(5);
unlink(FIFO);
return 0;
}
int main(void)
{
char buf[1024] = {0};
int fd;
if(fd = open("p1", O_RDONLY, 0) < 0)
{
perror("open");
exit(-1);
}
if( read(fd, buf, 1024) > 0)
{
printf("read %s\n",buf);
}
close(fd);
return 0;
}