#实验描述：
由父进程创建一个管道，然后再创建3个子进程，并由这三个子进程利用管道与父进程之间进行通信：子进程发送信息，父进程等三个子进程全部发完消息后再接收信息。通信的具体内容可根据自己的需要随意设计，要求能试验阻塞型读写过程中的各种情况，测试管道的默认大小，并且要求利用Posix信号量机制实现进程间对管道的互斥访问。运行程序，观察各种情况下，进程实际读写的字节数以及进程阻塞唤醒的情况。
实验目的：通过Linux管道通信机制、消息队列通信机制的使用，加深对不同类型的进程通信方式的理解。
根据实验要求可知，这里直接选用无名管道即可，实验要求有：
- 试验阻塞型读写过程中的各种情况
- 测试管道的默认大小
- 利用 Posix 信号量机制实现进程间对管道的互斥访问
#实验必知
一、什么是管道
如果你使用过Linux的命令，那么对于管道这个名词你一定不会感觉到陌生，因为我们通常通过符号“|"来使用管道，但是管理的真正定义是什么呢？管道是一个进程连接数据流到另一个进程的通道，它通常是用作把一个进程的输出通过管道连接到另一个进程的输入。
举个例子，在shell中输入命令：ls -l | grep string，我们知道ls命令（其实也是一个进程）会把当前目录中的文件都列出来，但是它不会直接输出，而是把本来要输出到屏幕上的数据通过管道输出到grep这个进程中，作为grep这个进程的输入，然后这个进程对输入的信息进行筛选，把存在string的信息的字符串（以行为单位）打印在屏幕上。
管道是一个文件，用于连接两个进程以实现进程通信。管道是半双工的，即同一时间同一进程只能读取或者写入。管道又分为有名管道和无名管道两种，无名管道存在于高速缓存 cache 中，用于有亲缘关系的父子进程或兄弟进程之间的通信，有名管道存在于磁盘中，是看得见摸得着的真实文件，只要知道路径名就可以调用，所以它可以用于任意进程之间的通信。
前面提到管道是一个文件，所以不论是有名管道还是无名管道，它们写入或读取的方式都是一样的 —— 使用 write 进行写入，使用 read 进行读取。
二、技术信号量，二值信号量
https://www.cnblogs.com/Liu-Jing/p/7435699.html
无名管道创建：
无名管道由pipe()函数创建：
int pipe (int filedis[2]);
返回值：若成功则返回0；否则返回-1;错误原因从存于error中
当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符：filedis[0]用于读管道（管道头部），filedis[1]用于写管道（管道尾部）。
#源代码：
/*
* @file main.c
* @author Arcana
* @date 2018.11.12
* @brief Children process communicate with parent by pipe.
*/
#include "errno.h"
#include "fcntl.h"
#include "semaphore.h"
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "sys/ipc.h"
#include "sys/sem.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/wait.h"
#include "unistd.h"
#define BUF_MAX_SIZE 8192
// 如果x为假，则报错，打印出错代码所在函数及行数
#define CHECK(x) \
do { \
if (!(x)) { \
fprintf(stderr, "%s:%d: ", __func__, __LINE__); \
perror(#x); \
exit(-1); \
} \
} while (0)
/**
* Create three children processes to test pipe communication.
* @param argc Argument count.
* @param argv Argument vector.
* @return status code.
*/
int main(int argc, char **argv) {
int pipefd[2], pid, i = 0;
int flag = 0;
ssize_t n;
char buf[BUF_MAX_SIZE];
char str[BUF_MAX_SIZE];
// 创建有名信号量，若不存在则创建，若存在则直接打开，默认值为0
sem_t *write_mutex;
sem_t *read_mutex1;
sem_t *read_mutex2;
write_mutex = sem_open("pipe_test_wm", O_CREAT | O_RDWR, 0666, 0);
read_mutex1 = sem_open("pipe_test_rm_1", O_CREAT | O_RDWR, 0666, 0);
read_mutex2 = sem_open("pipe_test_rm_2", O_CREAT | O_RDWR, 0666, 0);
memset(buf, 0, BUF_MAX_SIZE);
memset(str, 0, BUF_MAX_SIZE);
// 创建管道并检查操作是否成功
CHECK(pipe(pipefd) >= 0);
// 创建第一个子进程并检查操作是否成功
CHECK((pid = fork()) >= 0);
// 第一个子进程，利用非阻塞写测试管道大小
if (pid == 0) {
int count = 0;
close(pipefd[0]);
int flags = fcntl(pipefd[1], F_GETFL);
// 管道默认是阻塞写，通过`fcntl`设置成非阻塞写，在管道满无法继续写入时返回-EAGAIN，作为循环终止条件
fcntl(pipefd[1], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
// 写入管道
while (!flag) {
n = write(pipefd[1], buf, BUF_MAX_SIZE);
if (n == -1) {
flag = 1;
} else {
count++;
printf("children 1 write %dB\n", n);
}
}
printf("space = %dKB\n", (count * BUF_MAX_SIZE) / 1024);
exit(0);
}
// 创建第二个子进程并检查操作是否成功
CHECK((pid = fork()) >= 0);
if (pid == 0) {
sem_wait(write_mutex);
close(pipefd[0]);
n = write(pipefd[1], "This is the second children.\n", 29);
printf("children 2 write %dB\n", n);
sem_post(write_mutex);
sem_post(read_mutex1);
exit(0);
}
// 创建第三个子进程并检查操作是否成功
CHECK((pid = fork()) >= 0);
if (pid == 0) {
sem_wait(write_mutex);
close(pipefd[0]);
n = write(pipefd[1], "This is the third children.\n", 28);
printf("children 3 write %dB\n", n);
sem_post(write_mutex);
sem_post(read_mutex2);
exit(0);
}
// 等待第一个子进程运行完成，父进程继续运行
wait(0);
close(pipefd[1]);
int flags = fcntl(pipefd[0], F_GETFL);
// 设置非阻塞性读，作为循环结束标志
fcntl(pipefd[0], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
while (!flag) {
n = read(pipefd[0], str, BUF_MAX_SIZE);
if (n == -1) {
flag = 1;
} else {
printf("%dB read\n", n);
}
}
sem_post(write_mutex);
// 等待子进程二、三写入完毕
sem_wait(read_mutex1);
sem_wait(read_mutex2);
n = read(pipefd[0], str, BUF_MAX_SIZE);
printf("%dB read\n", n);
for (i = 0; i < n; i++) {
printf("%c", str[i]);
}
sem_close(write_mutex);
sem_close(read_mutex1);
sem_close(read_mutex2);
sem_unlink("pipe_test_wm");
sem_unlink("pipe_test_rm_1");
sem_unlink("pipe_test_rm_2");
return 0;
}
#源码解读
这里使用了三个信号量，分别是 write_mutex、read_mutex1 和 read_mutex2，简单分析一下子进程和父进程之间的关系可以明白：
子进程一先将 64K 的数据写入管道，父进程才能第一时间将数据全部读取出来（来自一进程的数据）
父进程将子进程一的数据读取之后，子进程二、三才能写入数据
子进程二、三将数据写入后，父进程随后才能读取第二批数据（来自二、三进程的数据）
关系大致如下图所示：
子进程写入数据1 和父进程读取数据1 利用 wait(0) 限制了先后关系，父进程必须接收到子进程结束之后返回的 0，才能继续运行，否则阻塞。
write_mutex 限制了父进程先读取数据，然后子进程二、三写入数据，read_mutex1 和 read_mutex2 分别限制了子进程二、三写入数据 2,3 和父进程读取数据 2,3 先后关系，只有子进程二、三均完成后，父进程才允许读取管道。
子进程一使用了非阻塞性写，子进程二、三均为阻塞性写，父进程为非阻塞性读。
非阻塞写和非阻塞读的目的在于，阻塞写时，管道满了之后进程被阻塞，无法设置终止条件从而结束写，读也是一样，管道空了之后进程被阻塞，无法设置终止条件从而结束读。
sem_open
https://baike.baidu.com/item/sem_open/8817672?fr=aladdin
创建并初始化有名信号量。sem_open返回指向sem_t信号量的指针，该结构里记录着当前共享资源的数目。（二值信号量的初始值通常为1，计数信号量的初始值则往往大于1。）
fcntl
https://baike.baidu.com/item/fcntl/6860021?fr=aladdin
表头文件编辑
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
参数介绍编辑
参数fd
参数fd代表欲设置的文件描述符。
参数cmd
参数cmd代表打算操作的指令。
cmd：
F_GETFL 取得文件描述符状态旗标，此旗标为open（）的参数flags。
F_SETFL 设置文件描述符状态旗标，参数arg为新旗标，但只允许O_APPEND、O_NONBLOCK和O_ASYNC位的改变，其他位的改变将不受影响。
int flags = fcntl(pipefd[1], F_GETFL);
// 管道默认是阻塞写，通过`fcntl`设置成非阻塞写，在管道满无法继续写入时返回-EAGAIN，作为循环终止条件
fcntl(pipefd[1], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
sem_post
https://baike.baidu.com/item/sem_post/4281234?fr=aladdin
头文件：#include <semaphore.h>
说明：
sem_post函数的作用是给信号量的值加上一个“1”，它是一个“原子操作”－－－即同时对同一个信号量做加“1”操作的两个线程是不会冲突的；而同 时对同一个文件进行读、加和写操作的两个程序就有可能会引起冲突。信号量的值永远会正确地加一个“2”－－因为有两个线程试图改变它。 当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中一个线程不在阻塞，选择机制是有线程的调度策略决定的。
返回值：
sem_post() 成功时返回 0；错误时，信号量的值没有更改，-1 被返回，并设置 errno 来指明错误。