Linux下进程间的通信--管道

关于进程间的通信

Linux进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）是指在多个进程之间传输数据或信号的一些方法。由于Linux中的进程有各自独立的地址空间，因此它们不能直接访问对方的内存。为了实现进程间的通信，Linux提供了多种机制：管道，信号，消息队列，共享内存，网络

Linux下的进程通信手段基本上是从Unix平台上继承而来的

进程间通讯分为单个计算机的进程间通讯和局域网的进程间通讯

管道

管道简介：

管道是一种最基本的IPC机制，它允许一个进程的输出成为另一个进程的输入。管道是半双工的，数据只能向一个方向流动

管道的本质：是操作系统内核提供的一种进程间通信机制，它通过内核缓冲区和文件描述符来实现进程间的数据交换和同步

管道分为无名管道与有名管道

一.无名管道

无名管道的特点:

无名管道只能实现单向通信，数据只能从一端流向另一端

无名管道通常用于父子进程之间的通信，因为它们需要在创建时就确定通信的两端

无名管道没有名字，它们在文件系统中不可见，仅在创建它们的进程及其子进程的生命周期内存在。

无名管道将读端与写端抽象成两个文件进行操作，在无名管道创建成功之后，则会返回将读端与写端的文件描述符存入数组

创建无名管道

pipe()函数

函数描述：pipe()创建了一个管道，这是一种单向数据通道，可用于进程间通信。数组 pipefd 用于返回指向管道两端的两个文件描述符。pipefd[0]`指向管道的读端，pipefd[1] 指向管道的写端。写入管道写端的数据将由内核缓冲，直到从管道读端读取。

函数头文件
#include <unistd.h>   

功能
管道创建之后，内核会将文件描述符存储到数组    

函数原型
int pipe(int pipefd[2]);

函数参数
pipefd:用于存储无名管道读端与写端的文件描述符的数组
pipefd[0]:读端文件描述符
pipefd[1]:写端文件描述符    

函数返回值:
成功:0
失败:-1,设置 errno,同时将pipefd保持不变

示例代码：

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

int main()
{
        int pipefd[2];
        int num=pipe(pipefd);
        if(num == -1)
        {
                perror("pipe\n");
                exit(EXIT_FAILURE);
        }
        pid_t pid = fork(); // 创建子进程
        if (pid == -1)
        {
                perror("fork failed");
                return 1;
        }
        else if (pid == 0)
        {
                close(pipefd[1]);
                char buffer[64];
                size_t rbytes = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));
                if(rbytes == -1)
                {
                        perror("read fail\n");
                        close(pipefd[0]);
                }
                else
                {
                        printf("read : %s\n",buffer);
                        close(pipefd[0]);
                }
        }
        else
        {
                close(pipefd[0]);
                char buf[128]={0};
                printf("please to input information\n");
                fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
                buf[strlen(buf)-1]='\0';
                size_t wbytes = write(pipefd[1],buf,sizeof(buf));
                if(wbytes==-1)
                {
                        perror("write fail\n");
                        close(pipefd[1]);
                }
                else
                {
                        printf("wbytes = %ld\n",wbytes);
                        close(pipefd[1]);
                }
        }
        waitpid(-1,NULL,0);
    return 0;
}

代码解读：

使用pipe函数创建一个无名管道，并将文件描述符数组pipefd的两个元素分别设置为管道的读端和写端。如果创建失败，打印错误信息并退出

调用fork函数创建子进程。如果fork失败，打印错误信息并返回1。

如果pid为0，说明当前是子进程。关闭管道的写端文件描述符。

定义一个字符数组buffer，用于存储从管道读取的数据。

从管道的读端读取数据到buffer。如果读取失败，打印错误信息并关闭读端文件描述符。如果读取成功，打印读取的内容并关闭读端文件描述符。

如果pid不为0，说明当前是父进程。关闭管道的读端文件描述符。

定义一个字符数组buf，用于存储用户输入的数据。

将用户输入的数据写入管道的写端。如果写入失败，打印错误信息并关闭写端文件描述符。如果写入成功，打印写入的字节数并关闭写端文件描述符。

调用waitpid函数等待子进程结束。-1表示等待任意子进程，NULL表示不需要子进程的终止状态，0表示不设置任何选项。

二.有名管道

有名管道的特点：

有名管道在文件系统中以文件的形式存在，但不占用磁盘空间，即使创建它的进程已经退出，有名管道仍然存在，直到被显式删除。

有名管道允许任何知道管道名称的进程进行通信

有名管道提供了一种同步机制，写入操作在管道有足够空间时才会成功，读取操作在管道中有数据时才会成功

创建有名管道

`mkfifo`命令

mkfifo [选项]... 名字

-m 或 --mode=模式：设置创建的有名管道的权限。如果不设置，将使用默认的权限（通常是 0666，即允许所有用户读写）。
-p 或 --fifo=路径：指定有名管道的路径。如果路径不存在，mkfifo 会创建它。

`mkfifo()`系统调用

函数描述：

mkfifo()创建一个名为pathname的FIFO特殊文件。mode指定FIFO的权限。它由进程的umask以通常的方式修改:创建的文件的权限是(mode & ~umask)。

FIFO特殊文件类似于管道，只是其创建方式不同。通过调用mkfifo()将FIFO特殊文件输入到文件系统中，而不是作为匿名通信通道。

一旦你以这种方式创建了一个FIFO特殊文件，任何进程都可以打开它进行读写，就像普通文件一样。但是，在您可以对其进行任何输入或输出操作之前，它必须同时在两端打开。为读打开FIFO通常会阻塞，直到其他进程为写打开相同的FIFO，反之亦然。

函数头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

函数原型:
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

函数参数:
pathname:有名管道路径名
mode:有名管道文件访问权限, 常用0644

函数返回值:
成功:返回0
失败:返回-1,并设置errno

示例代码:

进程A:

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define PATH "/home/linux/namepipe"
int main()
{
        int fr = open(PATH,O_RDONLY);
        if(fr==-1)
        {
                perror("open fail");
                exit(EXIT_FAILURE);
        }
        char buffer[128];
        ssize_t rbytes = read(fr,buffer,sizeof(buffer));
        if(rbytes==-1)
        {
                perror("read fail");
                close(fr);
                exit(EXIT_FAILURE);
        }
        printf("rbytes=%ld buffer=%s\n",rbytes,buffer);
        close(fr);
        return 0;
}

进程B:

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

#define PATH_NAME  "/home/linux/npipe"
int main()
{

        int result = access(PATH_NAME,F_OK);
        if(result == -1)
        {
                int ret = mkfifo(PATH_NAME,0666);
                if(ret==-1)
                {
                        perror("mkfifo:");
                        exit(EXIT_FAILURE);
                }
        }
        int fw = open(PATH_NAME,O_WRONLY);
        if(fw==-1)
        {
                perror("open:");
                exit(EXIT_FAILURE);
        }
        char buf[128]={0};
        printf("please to enter\n");
        fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
        buf[strlen(buf)-1]='\0';
        ssize_t wbytes = write(fw,buf,sizeof(buf));
        if(wbytes==-1)
        {
                perror("write:");
                close(fw);
                exit(EXIT_FAILURE);
        }
        printf("wbytes=%ld buf=%s\n",wbytes,buf);
        close(fw);
        return 0;
}