【Linux进程间通信】二、pipe管道

pipe管道

• • 1. 什么是管道
  • 2. pipe()函数创建管道
  • • 2.1 函数原型
    • 2.2 工作原理
    • 2.3 通过实战分析管道的特性
  • 3. 管道的读写行为
  • 4. 管道（缓冲区）大小
  • 5. 管道的优缺点

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1. 什么是管道

管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe()系统函数就可以创建一个管道。管道具有下面的特点：

• 管道的本质是一个伪文件，实际上就是内核缓冲区。

• 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。

• 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。

管道的实现原理是这样的，实际上管道是内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区（4K）来实现的。管道在使用时也具有一定的局限性：

• 一是数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取；
• 二是由于管道采用半双工通信方式（通信方式有单工通信、半双工通信、全双工通信），因此，数据只能在一个方向上流动，有的地方也说是单工；
• 三是只能在有公共祖先的进程间使用管道。

2. pipe()函数创建管道

2.1 函数原型

• 包含头文件

#include <unistd.h>

• 函数原型

int pipe(int pipefd[2]);

#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>

int pipe2(int pipefd[2], int flags);

• 函数功能

  pipe() creates a pipe, a unidirectional data channel that can be used for interprocess communication.

• 函数参数

  • pipefd[2]：读端和写端的文件描述符

• 函数返回值

  • On success, zero is returned.
  • On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

2.2 工作原理

一般来说，要在子进程创建之前使用pipe()来创建管道，这样子进程才能共享这两个文件描述符fd[1]和fd[2]。pipe()函数创建一个管道就相当于打开了一个伪文件（这个伪文件实际上是内核缓冲区，像管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区，因为这个缓冲区只能单向流通数据，所以形象的称为管道），所以调用成功会返回两个文件描述符给参数pipefd[2]，其中fd[0]代表读端，fd[1]代表写端，就像0代表标准输入1代表标准输出一样作为一种规定。并且这两个文件描述符在使用的时候不需要open()打开，但是需要我们手动的close()关闭。

管道创建成功后，父进程同时拥有读写两端，因为子进程是对父进程的复制，所以子进程也会拥有读写两端。下面通过图示来说明进程间是如何通过管道通信的。

• ① 父进程调用pipe()函数创建管道，并得到指向管道读端和写端的文件描述符fd[0]和fd[1]。创建出来的管道实际上是内核的一块缓冲区，我们可以像读写文件一样来操作这个缓冲区，所以也可以把他理解为一个伪文件。
  
• ② 父进程调用fork()创建子进程，子进程将共享这两个指向管道读写端的文件描述符。

• ③ 如果父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端，此时父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出，反之同理。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

2.3 通过实战分析管道的特性

**示例1：**父子进程读写管道

/************************************************************
  >File Name  : pipe_test.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月21日 星期六 17时53分56秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int fd[2];
    pipe(fd);
    pid_t pid = fork();
    
    if(pid == 0)
    {
        /*子进程向管道写*/
        /*sleep(3); read读设备的时候，默认是会阻塞等待的，写进程睡眠的时候，读进程会阻塞等待，直到读取到数据*/
        char str[] = "hello pipe...\n";
        write(fd[1], str, sizeof(str));
    }
    if(pid > 0)
    {
        char buf[15] = {0}; /*创建一个缓冲区来缓存读出的数据*/
        /*read读设备的时候，默认是会阻塞等待的*/
        int ret = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        if(ret > 0)
        {
            write(STDOUT_FILENO, buf, ret);
        }
    }
    return 0;
}

由于resd()函数读设备时默认阻塞等待的特性，即使写进程没有立即写，读进程也能读到数据，因为它会阻塞等待。

**❀示例2：**使用管道实现 ps | grep 命令

/************************************************************
  >File Name  : mpsgrep.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月21日 星期六 18时08分56秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
	int fd[2];
    pipe(fd);
    pid_t pid = fork(); /*一个进程执行ps一个进程执行grep来实现 ps | grep*/
    
    if(pid == 0) /*子进程执行ps*/
    {/*把ps的执行结果传给grep，所以子进程写，父进程读*/
        /*首先把ps命令的执行结果重定向到管道的写端（默认将执行结果输出到stdout）*/
        dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
        /*拉起ps进程*/
        execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
    }
    
    if(pid > 0) /*父进程执行grep*/
    {
        /*把grep读取重定向到fd[0]，因为默认grep是在stdin获取输入的*/
        /*如果在shell命令行使用grep，模式是在标准输入中匹配*/
        dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
        /*拉起grep进程*/
        execlp("grep", "grep", argv[1], NULL);
    }
    
	return 0;
}

上面的程序执行后，可以看到输出结果，确实显示了bash相关的进程信息

我们再起一个终端，使用 ps aux 命令查看进程会发现，子进程中拉起的ps进程变成了僵尸进程，并且父进程没有退出。（实际上，如果父进程退出了，子进程就会被init进程收养并回收）

ps进程变成僵尸进程是因为，我们在父进程中并没有回收子进程，因为execlp()函数拉起一个进程后，如果执行成功，就不会再返回了，那么我们也没办法去回收这个子进程ps。但是我们知道，如果父进程终止了，子进程就会被init进程收养并回收，所以我们只要让父进程（也就是程序中的grep进程）退出，就可以解决子进程回收问题了。

下面，我们分析下父进程为什么没有退出，正常情况下，父进程执行完grep命令就应该正常退出的。实际上，这是管道的特性引起的，我们知道，pipe()创建管道后会在内核分配一个缓冲区，并返回两个文件描述符，父进程和子进程都持有读写这两个文件描述符。我们在进程间通信的时候，因为管道是单向数据流通，所以只有一个进程写一个进程读，比如上面的程序，我们让子进程写，让父进程读，但这并不代表父进程不持有写端文件描述符。问题就在这里，虽然子进程已经变成了僵尸进程，但是父进程依然持有写端文件描述符，所以父进程就会认为还存在其他进程来写入管道，于是父进程就会等待写入，而不退出。

解决方法就是，我们在进程间通信时，要保证数据单向流通，在读进程中关闭管道的写端文件描述符，在写进程中关闭管道的读端文件描述符。我们依据这个原则来改造一下上面的程序即可。

/************************************************************
  >File Name  : mpsgrep_02.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月21日 星期六 18时08分56秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
	int fd[2];
    pipe(fd);
    pid_t pid = fork(); /*一个进程执行ps一个进程执行grep来实现 ps | grep*/
    
    if(pid == 0) /*子进程执行ps*/
    {/*把ps的执行结果传给grep，所以子进程写，父进程读*/
        /*关闭读端文件描述符，保证数据单向流通*/
        close(fd[0]);
        /*首先把ps命令的执行结果重定向到管道的写端（默认将执行结果输出到stdout）*/
        dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
        /*拉起ps进程*/
        execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
    }
    
    if(pid > 0) /*父进程执行grep*/
    {
        /*关闭写端文件描述符，保证数据单向流通，防止读进程阻塞*/
        close(fd[1]);
        /*把grep读取重定向到fd[0]，因为默认grep是在stdin获取输入的*/
        /*如果在shell命令行使用grep，模式是在标准输入中匹配*/
        dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
        /*拉起grep进程*/
        execlp("grep", "grep", argv[1], NULL);
    }
    
	return 0;
}

这样，父进程就不会阻塞等待，而是直接退出，而子进程也不会产生僵尸进程。

3. 管道的读写行为

使用管道进行进程间通信的时候，假设没有设置O_NONBLOCK标志（也就是说都是阻塞I/O操作），有以下几种特殊情况

• 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。

• 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。

• 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。（在讲信号的时候会细说）

• 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

其实，总的来说可以分为读管道和写管道两种的情况

• 读管道

  • 如果管道中有数据，read返回实际读到的字节数。
  • 如果管道中无数据：
    • 如果管道写端被全部关闭，read返回0，相当于读到文件结尾。
    • 如果写端没有全部被关闭，read阻塞等待（不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu），如果不想让read阻塞，可以使用fcntl设置非阻塞。

• 写管道

  • 如果管道读端全部被关闭，会产生一个信号SIGPIPE，进程异常终止（也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止）。
  • 如果管道读端没有全部关闭
    • 如果管道已满，write阻塞，（管道实际上是内核中的一个缓冲区，它是有大小的）。
    • 如果管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

/************************************************************
  >File Name  : pipe_test2.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月21日 星期六 17时53分56秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int fd[2];
    pipe(fd);
    pid_t pid = fork();
    
    if(pid == 0)
    {
        sleep(3); 
        close(fd[0]); /*关闭读端*/
        char str[] = "hello pipe...\n";
        write(fd[1], str, sizeof(str));
        close(fd[1]); /*关闭写端*/
        while(1)
        {
            sleep(1);
        }
    }
    if(pid > 0)
    {
        close(fd[1]); /*关闭写端*/
        close(fd[0]); /*关闭读端*/
        char buf[15] = {0}; 
        
        int status;
        wait(&status);
        if(WIFSIGNALED(status))
        {
            printf("kill: %d\n", WTERMSIG(status));
        }
        while(1)
        {
            int ret = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        	if(ret > 0)
        	{
           		write(STDOUT_FILENO, buf, ret);
        	}
        }
    }
    return 0;
}

4. 管道（缓冲区）大小

使用命令查看

ulimit -a

管道大小是8个512byte的大小。

也可以使用函数fpathconf()查看

#include <unistd.h>

long fpathconf(int fd, int name); 
/*fd可以是fd[0]或fd[1]，name是一个选项*/

实际上使用 ulimit -a 看到的是内核给管道的大小，但是管道的容量实际上可能要比这个值大。

5. 管道的优缺点

• 优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。（其实要想实现父进程和子进程双向通信，可以创建两个管道）
• 缺点：
  • 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。
  • 只能用于有血缘关系的进程间通信（父子、兄弟等有共同祖先的进程），有名管道可解决该问题。

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