【无名管道】无名管道（Pipe）与进程通信：快速上手

news2024/11/18 17:41:25

目录

0. 管道概述：

1. 管道特点

2. 管道创建：pipe函数

3. 管道的读写特点

4. 通过fcntl函数设置文件的阻塞特性

5. 查看管道缓冲区命令

总结：

0. 管道概述：

        管道也叫无名管道，它是是 UNIX 系统 IPC（进程间通信） 的最古老形式，所有的 UNIX 系统都支持这种通信机制。

        无名管道是创建在内核空间的，多个进程知道同一个无名管道的空间，就可以利用它来进行通信。（在32位操作系统下，任何一个进程创建时，系统都会给其分配4G的虚拟内存，3G为用户空间，1G为内核空间）

        无名管道虽然是在内核空间创建的，但是会给当前用户进程两个文件描述符，一个负责执行读操作，一个负责写操作。

1. 管道特点

1) 半双工，数据在同一时刻只能在一个方向上流动。

2) 数据只能从管道的一端写入，从另一端读出。

3) 写入管道中的数据遵循先入先出的规则。

4) 管道所传送的数据是无格式的，这要求管道的读出方与写入方必须事先约定好数据的格式，如多少字节算一个消息等。

5) 管道不是普通的文件，不属于某个文件系统，其只存在于内存中。

6) 管道在内存中对应一个缓冲区。不同的系统其大小不一定相同。

7) 从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读走，它就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据。

8) 管道没有名字，只能在具有公共祖先的进程（父进程与子进程，或者两个兄弟进程，具有亲缘关系）之间使用。

        对于管道特点的理解，我们可以类比现实生活中管子，管子的一端塞东西，管子的另一端取东西。管道是一种特殊类型的文件，在应用层体现为两个打开的文件描述符。

2. 管道创建：pipe函数

pipe函数：

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
功能：创建无名管道，返回两个文件描述符负责对管道进行读写操作
参数：
    pipefd : 为 int 型数组的首地址，其存放了管道的文件描述符 pipefd[0]、pipefd[1]。

                 pipefd[0]:负责对管道执行读操作。

                 pipefd[1]:负责对管道执行写操作。
                 一般文件 I/O的函数都可以用来操作管道(lseek() 除外)。
返回值：
    成功：0
    失败：-1

 代码示例：

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

int main()
{
    int fd_pipe[2];
    if (pipe(fd_pipe) == -1) {
        perror("fail to pipe");
        exit(1);
    }

    printf("fd_pipe[0] = %d\n", fd_pipe[0]);
    printf("fd_pipe[1] = %d\n", fd_pipe[1]);

    if (write(fd_pipe[1], "hello world ", 12) == -1) {
        perror("fail to write");
        exit(1);
    }
    write(fd_pipe[1], "nihao beijing", strlen("nihao biejing") + 1);
    char buf[32] = "";
    ssize_t bytes;
    if ((bytes = read(fd_pipe[0], buf, sizeof(buf))) == -1) {
        perror("fail to read");
        exit(1);
    }
    printf("buf = %s\n", buf);
    printf("bytes = %ld\n", bytes);
    return 0;
}

 父子进程通过管道实现数据的传输

 示例代码：

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

int main()
{
    int pipefd[2];
    if (pipe(pipefd) == -1)
    {
        perror("fail to pipe");
        exit(1);
    }
    int pipeff[2];
    if (pipe(pipeff) == -1)
    {
        perror("fail to pipe");
        exit(1);
    }

    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        perror("fail to fork");
        exit(1);
    }
    else if (pid > 0)
    {
        char buf[128] = "";
        char buu[128] = "";
        while (1)
        {
            fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
            buf[strlen(buf) - 1] = '\0';

            if (write(pipefd[1], buf, sizeof(buf)) == -1)
            {
                perror("fail to write");
                exit(1);
            }

            if (read(pipeff[0], buu, sizeof(buu)) == -1)
            {

                perror("fail to read ");
                exit(1);
            }
            printf("buu = %s\n", buu);
        }

    }
    else
    {
        char buf[128] = "";
        char buu[128] = "";
        while (1)
        {
            if (read(pipefd[0], buf, sizeof(buf)) == -1)
            {

                perror("fail to read ");
                exit(1);
            }
            printf("buf = %s\n", buf);


            fgets(buu, sizeof(buu), stdin);
            buu[strlen(buu) - 1] = '\0';

            if (write(pipeff[1], buu, sizeof(buu)) == -1)
            {
                perror("fail to write");
                exit(1);
            }
        }

    }
    return 0;
}

3. 管道的读写特点

使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）：

1. 读写端都存在，只读不写：

    //读写端都存在，只读不写
    //如果管道中有数据，会正常读取数据
    //如果管道中没有数据，则读操作会阻塞等待，直到有数据为止

2. 读写端都存在，只写不读

    //读写端都存在，只写不读
    //如果一直执行写操作，则无名管道对应的缓冲区会被写满，写满之后，write函数也会阻塞等待
    //默认无名管道的缓冲区64K字节

3. 只有读端

    //关闭文件描述符，只有读端
    //如果管道中有数据，则读操作正常读取数据
    //如果管道中没有数据，则read函数返回0

4. 只有写段

    //关闭读端，只有写端
    //关闭读端，一旦执行写操作，立刻产生一个SIGPIPE（管道破裂）
    //这个信号默认处理方式是退出进程

读写端都存在，只读不写

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

int main()
{
    int pipefd[2];
    if (pipe(pipefd) == -1)
    {
        perror("fail to pipe");
        exit(1);
    }
    //读写端都存在，只读不写
    //如果管道中有数据，会正常读取数据
    //如果管道中没有数据，则读操作会阻塞等待，直到有数据为止
    write(pipefd[1], "hello world", 11);
    char buf[128] = "";
    if (read(pipefd[0], buf, sizeof(buf)) == -1)
    {
        perror("fail to read");
        exit(1);
    }
    printf("buf = %s\n", buf);

    if (read(pipefd[0], buf, sizeof(buf)) == -1)
    {
        perror("fail to read");
        exit(1);
    }
    printf("buf = %s\n", buf);
    return 0;
}
~

读写端都存在，只写不读

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

int main()
{
    int pipefd[2];
    if (pipe(pipefd) == -1)
    {
        perror("fail to pipe");
        exit(1);
    }
    //读写端都存在，只写不读
    //如果一直执行写操作，则无名管道对应的缓冲区会被写满，写满之后，write函数也会阻塞等待
    //默认无名管道的缓冲区64K字节
    int num = 0;
    while (1)
    {
        if (write(pipefd[1], "666", 1024) == -1)
        {
            perror("fail to write");
            exit(1);
        }
        num++;
        printf("num = %d\n", num);
    }
    return 0;
}

只有读端

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


int main()
{
    int pipefd[2];
    if (pipe(pipefd) == -1)
    {
        perror("fail to pipe");
        exit(1);
    }
    write(pipefd[1], "hello world", 11);
    //关闭文件描述符，只有读端
    //如果管道中有数据，则读操作正常读取数据
    //如果管道中没有数据，则read函数返回0
    close(pipefd[1]);

    char buf[128] = "";
    ssize_t bytes;
    if ((bytes = read(pipefd[0], buf, sizeof(buf))) == -1)
    {
        perror("fail to read");
        exit(1);
    }
    printf("bytes = %ld\n", bytes);
    printf("buf = %s\n", buf);

    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    if ((bytes = read(pipefd[0], buf, sizeof(buf))) == -1)
    {
        perror("fail to read");
        exit(1);
    }
    printf("bytes = %ld\n", bytes);
    printf("buf = %s\n", buf);
    return 0;
}

只有写

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

void handler(int sig) {
    printf("SIGPIPE发生了，管道破裂\n");
}
int main()
{
    signal(SIGPIPE, handler);
    int pipefd[2];
    if (pipe(pipefd) == -1)
    {
        perror("fail to pipe");
        exit(1);
    }
    //关闭读端，只有写端
    //关闭读端，一旦执行写操作，立刻产生一个SIGPIPE（管道破裂）
    //这个信号默认处理方式是退出进程
    close(pipefd[0]);

    int num = 0;
    while (1)
    {
        if (write(pipefd[1], "hello", 1024) == -1)
        {
            perror("fail to write");
            exit(1);
        }
        num++;
        printf("num = %d\n", num);
    }
    return 0;
}

4. 通过fcntl函数设置文件的阻塞特性

设置为阻塞：

        fcntl(fd,F_SETFL,0);

设置为非阻塞：

        fcntl(fd,F_SETFL,O_NONBLOCK);

非阻塞：如果是阻塞，管道中没有数据，read会一直等待，直到有数据才会继续运行，否则一直等待。

设置方法：

//获取原来的flags
int flags = fcntl(fd[0], F_GETFL);
// 设置新的flags
flag |= O_NONBLOCK;
// flags = flags | O_NONBLOCK;
fcntl(fd[0], F_SETFL, flags);

结论： 如果写端没有关闭，读端设置为非阻塞， 如果没有数据，直接返回-1。

        如果是非阻塞，read函数运行时，会先看一下管道中是否有数据，如果有数据，则正常运行读取数据，如果管道中没有数据，则read函数会立即返回，继续下面代码运行。

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

int main()
{
    int fd_pipe[2];
    char buf[] = "hello world";
    pid_t pid;

    if (pipe(fd_pipe) == -1)
    {
        perror("fail to pipe");
        exit(1);
    }

    pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        perror("fail to fork");
        exit(1);
    }
    else if (pid > 0)
    {
        fcntl(fd_pipe[0], F_SETFL, O_NONBLOCK);
        while (1)
        {
            memset(buf, 0, sizeof(buf));
            read(fd_pipe[0], buf, sizeof(buf));
            printf("buf = %s\n", buf);
            sleep(1);
        }
    }
    else
    {
        while (1)
        {
            sleep(5);
            write(fd_pipe[1], buf, strlen(buf));
        }
    }
    return 0;
}

5. 查看管道缓冲区命令

可以使用ulimit -a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。

 查看管道缓冲区函数

#include <unistd.h>
​
long fpathconf(int fd, int name);
功能：该函数可以通过name参数查看不同的属性值
参数：
    fd：文件描述符
    name：
        _PC_PIPE_BUF，查看管道缓冲区大小
        _PC_NAME_MAX，文件名字字节数的上限
返回值：
    成功：根据name返回的值的意义也不同。
    失败： -1

示例：

int main()
{
    int fd[2];
    int ret = pipe(fd);
    if (ret == -1)
    {
        perror("pipe error");
        exit(1);
    }
​
    long num = fpathconf(fd[0], _PC_PIPE_BUF);
    printf("num = %ld\n", num);
​
    return 0;
}

总结：

        无名管道是一种强大且基础的进程间通信机制，它使得具有亲缘关系的进程之间能够方便地共享数据。无名管道的使用，无论是在简单的Shell命令，还是在复杂的多进程应用中，都有着广泛的应用。

        注意：无名管道只能在具有公共祖先的进程之间使用，且只能实现单向通信。

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