进程通信管道.docx
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进程通信管道
1、管道概述及相关API应用
1.1管道相关的关键概念
管道是Linux支持的最初UnixIPC形式之一,具有以下特点:
∙管道是半双工的,数据只能向一个方向流动;需要双方通信时,需要建立起两个管道;
∙只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程);
∙单独构成一种独立的文件系统:
管道对于管道两端的进程而言,就是一个文件,但它不是普通的文件,它不属于某种文件系统,而是自立门户,单独构成一种文件系统,并且只存在与内存中。
∙数据的读出和写入:
一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。
写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾,并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。
1.2管道的创建:
#include
intpipe(intfd[2])
该函数创建的管道的两端处于一个进程中间,在实际应用中没有太大意义,因此,一个进程在由pipe()创建管道后,一般再fork一个子进程,然后通过管道实现父子进程间的通信(因此也不难推出,只要两个进程中存在亲缘关系,这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先,都可以采用管道方式来进行通信)。
1.3管道的读写规则:
管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述,需要注意的是,管道的两端是固定了任务的。
即一端只能用于读,由描述字fd[0]表示,称其为管道读端;另一端则只能用于写,由描述字fd[1]来表示,称其为管道写端。
如果试图从管道写端读取数据,或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。
一般文件的I/O函数都可以用于管道,如close、read、write等等。
从管道中读取数据:
∙如果管道的写端不存在,则认为已经读到了数据的末尾,读函数返回的读出字节数为0;
∙当管道的写端存在时,如果请求的字节数目大于PIPE_BUF,则返回管道中现有的数据字节数,如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF,则返回管道中现有数据字节数(此时,管道中数据量小于请求的数据量);或者返回请求的字节数(此时,管道中数据量不小于请求的数据量)。
注:
(PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定义,不同的内核版本可能会有所不同。
Posix.1要求PIPE_BUF至少为512字节,redhat7.2中为4096)。
关于管道的读规则验证:
/**************
*readtest.c*
**************/
#include
#include
#include
main()
{
intpipe_fd[2];
pid_tpid;
charr_buf[100];
charw_buf[4];
char*p_wbuf;
intr_num;
intcmd;
memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
memset(w_buf,0,sizeof(r_buf));
p_wbuf=w_buf;
if(pipe(pipe_fd)<0)
{
printf("pipecreateerror\n");
return-1;
}
if((pid=fork())==0)
{
printf("\n");
close(pipe_fd[1]);
sleep(3);//确保父进程关闭写端
r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,100);
printf("readnumis%dthedatareadfromthepipeis%d\n",r_num,atoi(r_buf));
close(pipe_fd[0]);
exit();
}
elseif(pid>0)
{
close(pipe_fd[0]);//read
strcpy(w_buf,"111");
if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!
=-1)
printf("parentwriteover\n");
close(pipe_fd[1]);//write
printf("parentclosefd[1]over\n");
sleep(10);
}
}
/**************************************************
*程序输出结果:
*parentwriteover
*parentclosefd[1]over
*readnumis4thedatareadfromthepipeis111
*附加结论:
*管道写端关闭后,写入的数据将一直存在,直到读出为止.
****************************************************/
向管道中写入数据:
∙向管道中写入数据时,linux将不保证写入的原子性,管道缓冲区一有空闲区域,写进程就会试图向管道写入数据。
如果读进程不读走管道缓冲区中的数据,那么写操作将一直阻塞。
注:
只有在管道的读端存在时,向管道中写入数据才有意义。
否则,向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIFPIPE信号,应用程序可以处理该信号,也可以忽略(默认动作则是应用程序终止)。
对管道的写规则的验证1:
写端对读端存在的依赖性
#include
#include
main()
{
intpipe_fd[2];
pid_tpid;
charr_buf[4];
char*w_buf;
intwritenum;
intcmd;
memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
if(pipe(pipe_fd)<0)
{
printf("pipecreateerror\n");
return-1;
}
if((pid=fork())==0)
{
close(pipe_fd[0]);
close(pipe_fd[1]);
sleep(10);
exit();
}
elseif(pid>0)
{
sleep
(1);//等待子进程完成关闭读端的操作
close(pipe_fd[0]);//write
w_buf="111";
if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4))==-1)
printf("writetopipeerror\n");
else
printf("thebyteswritetopipeis%d\n",writenum);
close(pipe_fd[1]);
}
}
则输出结果为:
Brokenpipe,原因就是该管道以及它的所有fork()产物的读端都已经被关闭。
如果在父进程中保留读端,即在写完pipe后,再关闭父进程的读端,也会正常写入pipe,读者可自己验证一下该结论。
因此,在向管道写入数据时,至少应该存在某一个进程,其中管道读端没有被关闭,否则就会出现上述错误(管道断裂,进程收到了SIGPIPE信号,默认动作是进程终止)
对管道的写规则的验证2:
linux不保证写管道的原子性验证
#include
#include
#include
main(intargc,char**argv)
{
intpipe_fd[2];
pid_tpid;
charr_buf[4096];
charw_buf[4096*2];
intwritenum;
intrnum;
memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
if(pipe(pipe_fd)<0)
{
printf("pipecreateerror\n");
return-1;
}
if((pid=fork())==0)
{
close(pipe_fd[1]);
while
(1)
{
sleep
(1);
rnum=read(pipe_fd[0],r_buf,1000);
printf("child:
readnumis%d\n",rnum);
}
close(pipe_fd[0]);
exit();
}
elseif(pid>0)
{
close(pipe_fd[0]);//write
memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,1024))==-1)
printf("writetopipeerror\n");
else
printf("thebyteswritetopipeis%d\n",writenum);
writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4096);
close(pipe_fd[1]);
}
}
输出结果:
thebyteswritetopipe1000
thebyteswritetopipe1000//注意,此行输出说明了写入的非原子性
thebyteswritetopipe1000
thebyteswritetopipe1000
thebyteswritetopipe1000
thebyteswritetopipe120//注意,此行输出说明了写入的非原子性
thebyteswritetopipe0
thebyteswritetopipe0
......
结论:
写入数目小于4096时写入是非原子的!
如果把父进程中的两次写入字节数都改为5000,则很容易得出下面结论:
写入管道的数据量大于4096字节时,缓冲区的空闲空间将被写入数据(补齐),直到写完所有数据为止,如果没有进程读数据,则一直阻塞。
1.4管道应用实例:
实例一:
用于shell
管道可用于输入输出重定向,它将一个命令的输出直接定向到另一个命令的输入。
比如,当在某个shell程序(Bourneshell或Cshell等)键入who│wc-l后,相应shell程序将创建who以及wc两个进程和这两个进程间的管道。
考虑下面的命令行:
$kill-l运行结果见 附一。
$kill-l|grepSIGRTMIN运行结果如下:
30)SIGPWR31)SIGSYS32)SIGRTMIN33)SIGRTMIN+1
34)SIGRTMIN+235)SIGRTMIN+336)SIGRTMIN+437)SIGRTMIN+5
38)SIGRTMIN+639)SIGRTMIN+740)SIGRTMIN+841)SIGRTMIN+9
42)SIGRTMIN+1043)SIGRTMIN+1144)SIGRTMIN+1245)SIGRTMIN+13
46)SIGRTMIN+1447)SIGRTMIN+1548)SIGRTMAX-1549)SIGRTMAX-14
实例二:
用于具有亲缘关系的进程间通信
下面例子给出了管道的具体应用,父进程通过管道发送一些命令给子进程,子进程解析命令,并根据命令作相应处理。
#include
#include
main()
{
intpipe_fd[2];
pid_tpid;
charr_buf[4];
char**w_buf[256];
intchildexit=0;
inti;
intcmd;
memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
if(pipe(pipe_fd)<0)
{
printf("pipecreateerror\n");
return-1;
}
if((pid=fork())==0)
//子进程:
解析从管道中获取的命令,并作相应的处理
{
printf("\n");
close(pipe_fd[1]);
sleep
(2);
while(!
childexit)
{
read(pipe_fd[0],r_buf,4);
cmd=atoi(r_buf);
if(cmd==0)
{
printf("child:
receivecommandfromparentover\nnowchildprocessexit\n");
childexit=1;
}
elseif(handle_cmd(cmd)!
=0)
return;
sleep
(1);
}
close(pipe_fd[0]);
exit();
}
elseif(pid>0)
//parent:
sendcommandstochild
{
close(pipe_fd[0]);
w_buf[0]="003";
w_buf[1]="005";
w_buf[2]="777";
w_buf[3]="000";
for(i=0;i<4;i++)
write(pipe_fd[1],w_buf[i],4);
close(pipe_fd[1]);
}
}
//下面是子进程的命令处理函数(特定于应用):
inthandle_cmd(intcmd)
{
if((cmd<0)||(cmd>256))
//supposechildonlysupport256commands
{
printf("child:
invalidcommand\n");
return-1;
}
printf("child:
thecmdfromparentis%d\n",cmd);
return0;
}
1.5管道的局限性
管道的主要局限性正体现在它的特点上:
∙只支持单向数据流;
∙只能用于具有亲缘关系的进程之间;
∙没有名字;
∙管道的缓冲区是有限的(管道制存在于内存中,在管道创建时,为缓冲区分配一个页面大小);
∙管道所传送的是无格式字节流,这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式,比如多少字节算作一个消息(或命令、或记录)等等;
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2、有名管道概述及相关API应用
2.1有名管道相关的关键概念
管道应用的一个重大限制是它没有名字,因此,只能用于具有亲缘关系的进程间通信,在有名管道(namedpipe或FIFO)提出后,该限制得到了克服。
FIFO不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联,以FIFO的文件形式存在于文件系统中。
这样,即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程,只要可以访问该路径,就能够彼此通过FIFO相互通信(能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间),因此,通过FIFO不相关的进程也能交换数据。
值得注意的是,FIFO严格遵循先进先出(firstinfirstout),对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据,对它们的写则把数据添加到末尾。
它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。
2.2有名管道的创建
#include
#include
intmkfifo(constchar*pathname,mode_tmode)
该函数的第一个参数是一个普通的路径名,也就是创建后FIFO的名字。
第二个参数与打开普通文件的open()函数中的mode参数相同。
如果mkfifo的第一个参数是一个已经存在的路径名时,会返回EEXIST错误,所以一般典型的调用代码首先会检查是否返回该错误,如果确实返回该错误,那么只要调用打开FIFO的函数就可以了。
一般文件的I/O函数都可以用于FIFO,如close、read、write等等。
2.3有名管道的打开规则
有名管道比管道多了一个打开操作:
open。
FIFO的打开规则:
如果当前打开操作是为读而打开FIFO时,若已经有相应进程为写而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回;否则,可能阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志);或者,成功返回(当前打开操作没有设置阻塞标志)。
如果当前打开操作是为写而打开FIFO时,如果已经有相应进程为读而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回;否则,可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志);或者,返回ENXIO错误(当前打开操作没有设置阻塞标志)。
对打开规则的验证参见 附2。
2.4有名管道的读写规则
从FIFO中读取数据:
约定:
如果一个进程为了从FIFO中读取数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的读操作为设置了阻塞标志的读操作。
∙如果有进程写打开FIFO,且当前FIFO内没有数据,则对于设置了阻塞标志的读操作来说,将一直阻塞。
对于没有设置阻塞标志读操作来说则返回-1,当前errno值为EAGAIN,提醒以后再试。
∙对于设置了阻塞标志的读操作说,造成阻塞的原因有两种:
当前FIFO内有数据,但有其它进程在读这些数据;另外就是FIFO内没有数据。
解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入,不论信写入数据量的大小,也不论读操作请求多少数据量。
∙读打开的阻塞标志只对本进程第一个读操作施加作用,如果本进程内有多个读操作序列,则在第一个读操作被唤醒并完成读操作后,其它将要执行的读操作将不再阻塞,即使在执行读操作时,FIFO中没有数据也一样(此时,读操作返回0)。
∙如果没有进程写打开FIFO,则设置了阻塞标志的读操作会阻塞。
注:
如果FIFO中有数据,则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞,此时,读操作会返回FIFO中现有的数据量。
向FIFO中写入数据:
约定:
如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的写操作为设置了阻塞标志的写操作。
对于设置了阻塞标志的写操作:
∙当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,linux将保证写入的原子性。
如果此时管道空闲缓冲区不足以容纳要写入的字节数,则进入睡眠,直到当缓冲区中能够容纳要写入的字节数时,才开始进行一次性写操作。
∙当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,linux将不再保证写入的原子性。
FIFO缓冲区一有空闲区域,写进程就会试图向管道写入数据,写操作在写完所有请求写的数据后返回。
对于没有设置阻塞标志的写操作:
∙当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,linux将不再保证写入的原子性。
在写满所有FIFO空闲缓冲区后,写操作返回。
∙当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,linux将保证写入的原子性。
如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数,写完后成功返回;如果当前FIFO空闲缓冲区不能够容纳请求写入的字节数,则返回EAGAIN错误,提醒以后再写;
对FIFO读写规则的验证:
下面提供了两个对FIFO的读写程序,适当调节程序中的很少地方或者程序的命令行参数就可以对各种FIFO读写规则进行验证。
程序1:
写FIFO的程序
#include
#include
#include
#include
#defineFIFO_SERVER"/tmp/fifoserver"
main(intargc,char**argv)
//参数为即将写入的字节数
{
intfd;
charw_buf[4096*2];
intreal_wnum;
memset(w_buf,0,4096*2);
if((mkfifo(FIFO_SERVER,O_CREAT|O_EXCL)<0)&&(errno!
=EEXIST))
printf("cannotcreatefifoserver\n");
if(fd==-1)
if(errno==ENXIO)
printf("openerror;noreadingprocess\n");
fd=open(FIFO_SERVER,O_WRONLY|O_NONBLOCK,0);
//设置非阻塞标志
//fd=open(FIFO_SERVER,O_WRONLY,0);
//设置阻塞标志
real_wnum=write(fd,w_buf,2048);
if(real_wnum==-1)
{
if(errno==EAGAIN)
printf("writetofifoerror;trylater\n");
}
else
printf("realwritenumis%d\n",real_wnum);
real_wnum=write(fd,w_buf,5000);
//5000用于测试写入字节大于4096时的非原子性
//real_wnum=write(fd,w_buf,4096);
//4096用于测试写入字节不大于4096时的原子性
if(real_wnum==-1)
if(errno==EAGAIN)
printf("trylater\n");
}
程序2:
与程序1一起测试写FIFO的规则,第一个命令行参数是请求从FIFO读出的字节数
#include
#include
#include
#include
#defineFIFO_SERVER"/tmp/fifoserver"
main(intargc,char**argv)
{
charr_buf[4096*2];
intfd;
intr_size;
intret_size;
r_size=atoi(argv[1]);
printf("requredrealreadbytes%d\n",r_size);
memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
fd=open(FIFO_SERVER,O_RDONLY|O_NONBLOCK,0);
//fd=open(FIFO_SERVER,O_RDONLY,0);
//在此处可以把读程序编译成两个不同版本:
阻塞版本及非阻塞版本
if(fd==-1)
{
printf("open%sforreaderror\n");
exit();
}
while
(1)
{
memset(r_