进程管道：popen函数实例

news2024/11/26 18:32:37

基础知识 

可能最简单的在两个程序之间传递数据的方法就是使用popen和pclose函数了。它们的原型如下所示： 

        #include <stdio.h>

       FILE *popen(const char *command, const char *type);

       int pclose(FILE *stream);

1．popen函数 

popen函数允许一个程序将另一个程序作为新进程来启动，并可以传递数据给它或者通过它接收数据。command字符串是要运行的程序名和相应的参数。open_mode必须是"r"或者"w"。

如果open_mode是"r"，被调用程序的输出就可以被调用程序使用，调用程序利用popen函数返回的FILE＊文件流指针，就可以通过常用的stdio库函数（如fread）来读取被调用程序的输出。如果open_mode是"w"，调用程序就可以用fwrite调用向被调用程序发送数据，而被调用程序可以在自己的标准输入上读取这些数据。被调用的程序通常不会意识到自己正在从另一个进程读取数据，它只是在标准输入流上读取数据，然后做出相应的操作。 

每个popen调用都必须指定"r"或"w"，在popen函数的标准实现中不支持任何其他选项。这意味着我们不能调用另一个程序并同时对它进行读写操作。popen函数在失败时返回一个空指针。如果想通过管道实现双向通信，最普通的解决方法是使用两个管道，每个管道负责一个方向的数据流。 

2．pclose函数 

用popen启动的进程结束时，我们可以用pclose函数关闭与之关联的文件流。pclose调用只在popen启动的进程结束后才返回。如果调用pclose时它仍在运行，pclose调用将等待该进程的结束。

pclose调用的返回值通常是它所关闭的文件流所在进程的退出码。如果调用进程在调用pclose之前执行了一个wait语句，被调用进程的退出状态就会丢失，因为被调用进程已结束。此时，pclose将返回-1并设置errno为ECHILD。 

实验 读取外部程序的输出

现在来看一个简单的popen和pclose示例程序popen1.c。我们将在程序中用popen访问uname命令给出的信息。命令uname -a的作用是打印系统信息，包括计算机型号、操作系统名称、版本和发行号，以及计算机的网络名。

完成程序的初始化工作后，打开一个连接到uname命令的管道，把管道设置为可读方式并让read_fp指向该命令的输出。最后，关闭read_fp指向的管道。

测试代码：

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

#define DEBUG_INFO(format, ...) printf("%s - %d - %s :: "format"\n",__FILE__,__LINE__,__func__ ,##__VA_ARGS__)

void test_01(void){
    FILE *read_fp;
    char buf[BUFSIZ + 1];
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    DEBUG_INFO("BUFSIZ = %d",BUFSIZ);
    read_fp = popen("uname -a","r");
    if(read_fp == NULL){
        perror("popen:");
        return;
    }
    int len = fread(buf,1,BUFSIZ,read_fp);
    if(len <= 0){
        perror("fread:");
        pclose(read_fp);
        return;
    }
    DEBUG_INFO("len = %d,buf = %s",len,buf);
    pclose(read_fp);
}

int main(int argc, char**argv){
    test_01();
    DEBUG_INFO("hello world");
    return 0;
}

CMakeLists.txt文件

cmake_minimum_required(VERSION 3.8)
project(myapp)

# add_compile_options("-std=c++11")

add_executable(popen popen.c)

编译并执行

mkdir _build_ -p
cmake -S ./ -B _build_
make -C _build_
./_build_/popen

输出结果：

/big/work/ipc/popen.c - 12 - test_01 :: BUFSIZ = 8192
/big/work/ipc/popen.c - 24 - test_01 :: len = 89,buf = Linux ubuntu 4.19.260 #1 SMP Thu Sep 29 14:19:07 CST 2022 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

/big/work/ipc/popen.c - 30 - main :: hello world

实验解析

这个程序用popen调用启动带有-a选项的uname命令。然后用返回的文件流读取最多BUFSIZ个字符（这个常量是在stdio.h中用#define语句定义的）的数据，并将它们打印出来显示在屏幕上。因为我们是在程序内部捕获uname命令的输出，所以可以处理它。

将输出送往popen 

看过捕获外部程序输出的例子后，我们再来看一个将输出发送到外部程序的示例程序popen2.c，它将数据通过管道送往另一个程序。我们在这里使用的是od（八进制输出）命令。

实验 将输出送往外部程序

 我们可以看到，下面这个程序popen2.c非常类似于前面的示例程序，唯一的不同是这个程序是将数据写入管道，而不是从管道中读取。

测试代码：

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

#define DEBUG_INFO(format, ...) printf("%s - %d - %s :: "format"\n",__FILE__,__LINE__,__func__ ,##__VA_ARGS__)

void test_01(void){
    FILE *write_fp;
    char buf[BUFSIZ + 1];
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    DEBUG_INFO("BUFSIZ = %d",BUFSIZ);
    sprintf(buf,"0123456789ABCDEFGHIJKLMN\n");

    DEBUG_INFO("len = %d,buf = %s",strlen(buf),buf);    
    write_fp = popen("od -c","w");
    if(write_fp == NULL){
        perror("popen:");
        return;
    }
    int len = fwrite(buf,sizeof(char),strlen(buf),write_fp);
    if(len <= 0){
        perror("fwrite:");
        pclose(write_fp);
        return;
    }
    
    pclose(write_fp);
}

int main(int argc, char**argv){
    test_01();
    return 0;
}

 测试结果：

 实验解析

程序使用带有参数"w"的popen启动od -c命令，这样就可以向该命令发送数据了。然后它给od -c命令发送一个字符串，该命令接收并处理它，最后把处理结果打印到自己的标准输出上。在命令行上，我们可以用下面的命令得到同样的输出结果：

echo "0123456789ABCDEFGHIJKLMN" | od -c

 传递更多的数据

我们目前所使用的机制都只是将所有数据通过一次fread或fwrite调用来发送或接收。有时，我们可能希望能以块方式发送数据，或者我们根本就不知道输出数据的长度。为了避免定义一个非常大的缓冲区，我们可以用多个fread或fwrite调用来将数据分为几部分处理。下面这个程序popen3.c通过管道读取所有数据。

实验 通过管道读取大量数据 

在这个程序中，我们从被调用的进程ps ax中读取数据。该进程输出的数据有多少事先无法知道，所以我们必须对管道进行多次读取。

测试代码：

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

#define DEBUG_INFO(format, ...) printf("%s - %d - %s :: "format"\n",__FILE__,__LINE__,__func__ ,##__VA_ARGS__)

void test_01(void){
    FILE *read_fp;
    char buf[BUFSIZ + 1];
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    DEBUG_INFO("BUFSIZ = %d",BUFSIZ);
    read_fp = popen("ps ax","r");
    if(read_fp == NULL){
        perror("popen:");
        return;
    }
    int len = fread(buf,1,BUFSIZ,read_fp);
    while(len > 0){
        buf[len - 1] = '\0';
        DEBUG_INFO("len = %d,buf = %s",len,buf);
        len = fread(buf,1,BUFSIZ,read_fp);
    }
    
    pclose(read_fp);
}

int main(int argc, char**argv){
    test_01();
    DEBUG_INFO("hello world");
    return 0;
}

 输出结果：

 实验解析

这个程序调用popen函数时使用了"r"参数，这与popen1.c程序的做法一样。这次，它连续从文件流中读取数据，直到没有数据可读为止。注意，虽然ps命令的执行要花费一些时间，但Linux会安排好进程间的调度，让两个程序在可以运行时继续运行。如果读进程popen3没有数据可读，它将被挂起直到有数据到达。如果写进程ps产生的输出超过了可用缓冲区的长度，它也会被挂起直到读进程读取了一些数据。

在本例中，你可能不会看到Reading:-信息的第二次出现。如果BUFSIZ的值超过了ps命令输出的长度，这种情况就会发生。一些（最新的）Linux系统将BUFSIZ设置为8192或更大的数字。为了测试程序在读取多个输出数据块时能够正常工作，你可以尝试每次读取少于BUFSIZ个字符（比如BUFSIZE/10个字符）。 

 如何实现popen

请求popen调用运行一个程序时，它首先启动shell，即系统中的sh命令，然后将command字符串作为一个参数传递给它。这有两个效果，一个好，一个不太好。

 在Linux（以及所有的类UNIX系统）中，所有的参数扩展都是由shell来完成的。所以，在启动程序之前先启动shell来分析命令字符串，就可以使各种shell扩展（如＊.c所指的是哪些文件）在程序启动之前就全部完成。这个功能非常有用，它允许我们通过popen启动非常复杂的shell命令。而其他一些创建进程的函数（如execl）调用起来就复杂得多，因为调用进程必须自己去完成shell扩展。

使用shell的一个不太好的影响是，针对每个popen调用，不仅要启动一个被请求的程序，还要启动一个shell，即每个popen调用将多启动两个进程。从节省系统资源的角度来看，popen函数的调用成本略高，而且对目标命令的调用比正常方式要慢一些。 

我们用程序popen4.c来演示popen函数的行为。这个程序对所有popen示例程序的源文件的总行数进行统计，方法是用cat命令显示文件的内容并将输出通过管道传递给命令wc -l，由后者统计总行数。如果是在命令行上完成这一任务，我们可以使用如下命令：

cat popen*.c | wc -l

事实上，输入命令wc -l popen＊.c更简单而且更有效率，但我们是为了通过这个例子来演示popen函数的工作原理。 

 实验popen启动shell

这个程序使用上面给出的命令，但是通过popen来读取命令输出的结果：

测试代码：

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

#define DEBUG_INFO(format, ...) printf("%s - %d - %s :: "format"\n",__FILE__,__LINE__,__func__ ,##__VA_ARGS__)

void test_01(void){
    FILE *read_fp;
    char buf[BUFSIZ + 1];
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    DEBUG_INFO("BUFSIZ = %d",BUFSIZ);
    read_fp = popen("cat popen*.c | wc -l","r");
    if(read_fp == NULL){
        perror("popen:");
        return;
    }
    int len = fread(buf,1,BUFSIZ,read_fp);
    while(len > 0){
        buf[len - 1] = '\0';
        DEBUG_INFO("len = %d,buf = %s",len,buf);
        len = fread(buf,1,BUFSIZ,read_fp);
    }
    
    pclose(read_fp);
}

int main(int argc, char**argv){
    test_01();
    DEBUG_INFO("hello world");
    return 0;
}

执行结果：

 实验解析

这个程序显示，shell在启动后将popen＊.c扩展为一个文件列表，列表中的文件名都以popen开头，以．c结尾，shell还处理了管道符（|）并将cat命令的输出传递给wc命令。我们在一个popen调用中启动了shell、cat程序和wc程序，并进行了一次输出重定向。而调用这些命令的程序只看到最终的输出结果。

CMakeLists.txt、编译脚本和sftp.json

 CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.8)
project(myapp)

# add_compile_options("-std=c++11")

add_executable(popen popen.c)
add_executable(popen2 popen2.c)
add_executable(popen3 popen3.c)
add_executable(popen4 popen4.c)

 编译脚本

rm -rf _build_
mkdir _build_ -p
cmake -S ./ -B _build_
make -C _build_
# ./_build_/popen
# ./_build_/popen2
# ./_build_/popen3
./_build_/popen4

 sftp.json

{
    "name": "My Server",
    "host": "192.168.31.138",
    "protocol": "sftp",
    "port": 22,
    "username": "lkmao",
    "password": "lkmao",
    "remotePath": "/big/work/ipc",
    "uploadOnSave": true,
    "useTempFile": false,
    "openSsh": false
}

 小结

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