linux 进程通信之 管道和FIFO
进程间通信：IPC概念
IPC：Interprocess Communication，通过内核提供的缓冲区进行数据交换的机制。
IPC通信的方式：
- pipe：管道（最简单）
- fifo：有名管道
- mmap：打开一块共享的内存（速度最快）
- 本地套接字：最稳定
- 信号：携带信息量最小
- 共享内存
- 消息队列
通信种类：
- 单工（广播）
- 单双工（对讲机）
- 全双工（电话）
一，管道PIPE
pipe通信是单双工的。
pipe通信，只能在有血缘关系的进程间通信。父子进程，兄弟进程，爷孙进程等。
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
- pipefd：【0】是读端，【1】是写端。
- 返回值：成功返回0；失败返回-1。
例子：
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
int main(){
int fds[2];
pipe(fds);
pid_t pid = fork();
if(pid == 0){
write(fds[1], "hello\n", 6);
char buf[10] = {0};
int ret = read(fds[0], buf, sizeof buf);
if(ret > 0){
printf("%s", buf);
}
}
if(pid > 0){
char buf[10] = {0};
int ret = read(fds[0], buf, sizeof buf);
if(ret > 0){
printf("%s", buf);
}
write(fds[1], "world\n", 6);
sleep(1);
}
}
例子1：子进程写，父进程读。
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
int main(){
int fds[2];
pipe(fds);
pid_t pid = fork();
if(pid == 0){
write(fds[1], "hello\n", 6);
/*
char buf[10] = {0};
int ret = read(fds[0], buf, sizeof buf);
if(ret > 0){
printf("%s", buf);
}
*/
}
if(pid > 0){
char buf[10] = {0};
int ret = read(fds[0], buf, sizeof buf);
if(ret > 0){
printf("%s", buf);
}
//write(fds[1], "world\n", 6);
//sleep(1);
}
}
例子2：用管道实现【ps aux | grep bash】命令。
实现办法，用dup2函数把标准输出，重定向到写端；再把标准输入重定向到读端。
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
int main(){
int fds[2];
pipe(fds);
pid_t pid = fork();
int stdoutfd = dup(STDOUT_FILENO);
if(pid == 0){
//close(fds[0]);//------------①
dup2(fds[1], STDOUT_FILENO);
execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
}
if(pid > 0){
//close(fds[1]);//----------②
dup2(fds[0], STDIN_FILENO);
execlp("grep", "grep", "bash", NULL);
dup2(stdoutfd, STDOUT_FILENO);
}
}
运行结果：发现程序没有结束，阻塞住了，必须按ctol-c才能结束。
ys@ys:~/test$ ./pi2
ys 1551 0.0 0.2 29692 5548 pts/0 Ss 10:05 0:00 bash
ys 2316 0.0 0.2 29560 5328 pts/1 Ss+ 11:33 0:00 bash
ys 2486 0.0 0.0 21536 1060 pts/0 S+ 11:56 0:00 grep bash
用【ps aux】调查一下，发现，由于父进程【grep bash】没有结束还没有回收子进程，导致【ps】变成了僵尸进程。
ys 2437 0.0 0.0 21536 1088 pts/0 S+ 11:50 0:00 grep bash
ys 2438 0.1 0.0 0 0 pts/0 Z+ 11:50 0:00 [ps] <defunct>
ys 2439 0.0 0.1 44472 3800 pts/1 R+ 11:50 0:00 ps aux
为什么父进程【grep bash】没有结束呢？确实在子进程里给父进程【ps aux】的输出结果了啊！
这是grep命令本身的缘故，在终端执行【grep bash】的话，就变成了阻塞状态，grep在等待标准输入，如果输入了【bash】grep就会给出结果，但是还是在继续等待标准输入，所以这就是父进程没有结束，阻塞在【grep bash】那里的原因。
解决办法：告诉【grep】，管道的写端不会再写入数据了后，grep就不会再继续等待，所以grep就会结束。grep的结束了，父进程也就结束了，所以僵尸进程也就自动消失了。
需要改代码的地方是②处，加上【close(fds[1]);】，就告诉了grep，已经没有写入了，所以grep就不会阻塞，父进程就能够结束掉。
注意：其实应该在子进程里也应该加上【close(fds[1]);】，才能达到写端全部关闭了，为什么没写也没错误呢，因为子进程先执行结束了，进程结束后，系统会自动把进程中打开的文件描述符全部关闭，所以没在子进程里写关闭写端的代码，也没出问题。
管道有如下的规则：
- 读管道时：
- 写端全部关闭：read函数返回0，相当于没有再能读取到的了。
- 写端未全部关闭：
- 管道里有数据：read函数能够读到数据。
- 管道里没有数据：read 阻塞。（可以用fcnlt设置成非阻塞）
- 写管道时：
- 读端全部关闭：write函数会产生SIGPIPE信号，程序异常结束。
- 读端未全部关闭：
- 管道已满：write函数阻塞等待。
- 管道未满：write函数正常写入。
例子1：写端全部关闭：read函数返回0。
在①和②两处必须都关闭写端，read函数才能返回0.
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
int main(){
int fds[2];
pipe(fds);
pid_t pid = fork();
if(pid == 0){
char buf[10] = {0};
int ret = read(fds[0], buf, sizeof buf);
if(ret > 0){
printf("%s", buf);
}
close(fds[1]);//----①
sleep(1);
if(read(fds[0],buf, sizeof buf) == 0){
printf("all closed\n");
}
}
if(pid > 0){
int ret = write(fds[1], "hello\n", 6);
close(fds[1]);//------②
wait(NULL);
}
}
例子2：读端全部关闭：write函数会产生SIGPIPE信号，程序异常结束。
在①和②两处必须都关闭读端，write函数会产生SIGPIPE信号。
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
int main(){
int fds[2];
pipe(fds);
pid_t pid = fork();
if(pid == 0){
close(fds[0]);//------②
int ret = write(fds[1], "hello\n", 6);
}
if(pid > 0){
close(fds[0]);//----①
//close(fds[1]);
int status;
wait(&status);
if(WIFSIGNALED(status)){
printf("killed by %d\n", WTERMSIG(status));
}
}
}
执行结果：【killed by 13】。13是SIGPIPE
查看系统默认的管道缓冲区的大小：ulimit -a
pipe size (512 bytes, -p) 8
查看系统默认的管道缓冲区的大小的函数：fpathconf
#include <unistd.h>
long fpathconf(int fd, int name);
- fd：文件描述符
- name：可以选择很多宏
- _PC_PIPE_BUF：代表管道。
例子：
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(){
int fds[2];
pipe(fds);
long ret = fpathconf(fds[0], _PC_PIPE_BUF);
printf("size:%ld\n", ret);
}
执行结果：size:4096
上面的【例子：用管道实现【ps aux | grep bash】命令】有个问题，父进程直接调用了exec函数，导致无法在父进程中回收子进程的资源。下面的例子就去解决这个问题，方法是，不在父进程里调用exec函数，在2个兄弟子进程里分别调用exec函数，然后在父进程里回收资源。
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main(){
int fds[2];
pipe(fds);
pid_t pid = fork();
if(pid == 0){
pid_t pid1 = fork();
if(pid1 == 0){
dup2(fds[1], STDOUT_FILENO);
execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
}
else if(pid1 > 0){
close(fds[1]);//----①
dup2(fds[0], STDIN_FILENO);
execlp("grep", "grep", "bash", NULL);
//dup2(stdoutfd, STDOUT_FILENO);
}
}
else if(pid > 0){
close(fds[1]);//----②
wait(NULL);
}
}
注意在①和②处的关闭代码。
到此为止，可以看出来管道的
- 优点：使用起来简单。
- 缺点：只能在有血缘关系的进程间使用。
二，FIFO通信
创建FIFO伪文件的命令：【mkfifo】
prw-r--r-- 1 ys ys 0 4月 29 15:59 myfifo
文件类型为P，大小为0。
也可以用函数：mkfifo创建
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
- pathname：文件名
- mode：文件权限
- 返回值：0成功；-1失败
FIFO通信原理：内核对fifo文件开辟一个缓冲区，操作fifo伪文件，就相当于操作缓冲区，实现里进程间的通信。实际上就是文件读写。
FIFO例子：传进一个事先用mkfifo 创建好的FIFO文件。可以同时打开多个读端和写端。
-
写端：
#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> int main(int argc, char* argv[]){ printf("begin write\n"); int fd = open(argv[1], O_WRONLY); printf("end write\n"); int num = 0; char buf[20] = {0}; while(1){ sprintf(buf, "num=%04d\n", num++); write(fd, buf, strlen(buf)); sleep(1); } close(fd); } -
读端：
#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <string.h> int main(int argc, char* argv[]){ printf("begin read\n"); int fd = open(argv[1], O_RDONLY); printf("end read\n"); int num = 0; char buf[20] = {0}; while(1){ memset(buf, 0x00, sizeof buf); int ret = read(fd, buf, sizeof buf); if(ret > 0){ printf("%s\n", buf); } else if(ret == 0){ break; } sleep(1); } close(fd); }
例子里有两个注意点：
-
open的时候是阻塞的，只有当读端和写端都打开后，open函数才会返回。非FIFO文件的open函数不是阻塞的。
FIFOs Opening the read or write end of a FIFO blocks until the other end is also opened (by another process or thread). See fifo(7) for further details. -
强制终止读端进程后，写端会自动终止。理由是读端已经关闭了，再往里写就会收到SIGFIFO信号，这个和管道的原理是一样的。
-
非常重要的一点：从fifo里读出数据后，这个被读出来的数据在fifo里就消失了。后面讲的mmap进程间通信就不一样，读完了，再读还有，因为是映射到内存了。
A进程发送一个mp3文件，B进程接收这个mp3文件，并存储到磁盘上，代码如下：
发送端：先取得mp3文件的大小，把文件的大小先发给接收端，然后在把文件的内容发过去。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char* argv[]){
struct stat sbuf;
int ret = stat("02.mp3", &sbuf);
if(ret < 0){
perror("stat");
return -1;
}
//get file size
int sz = sbuf.st_size;
printf("size:%d\n", sz);
char buf[20] = {0};
sprintf(buf, "%d", sz);
//open fifo file
int fd = open(argv[1], O_RDWR);
//send file size
write(fd, buf, sizeof(buf));
//open src mp3 file
int src = open("02.mp3", O_RDONLY);
char srcBuf[1024] = {0};
//send file content to dec file
int sent = 0;
while((sent = read(src, srcBuf, sizeof(srcBuf))) > 0){
write(fd, srcBuf, sent);
memset(srcBuf, 0x00, sizeof(srcBuf));
}
close(fd);
close(src);
}
接收端：先从发送端取得要发过来的MP3文件的大小，然后根据这个大小，先创建一个空的文件，然后再向这个空的文件里写内容。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char* argv[]){
//open fifo file
int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
//send file size
char buf[20] = {0};
//get file size
read(fd, buf, sizeof(buf));
int sz = atoi(buf);
printf("sz:%d\n", sz);
int dsc = open("des.mp3", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0666);
int ret = ftruncate(dsc, sz);
if(ret < 0){
perror("ftruncate");
return -1;
}
char srcBuf[1024] = {0};
//recv file content from src file
int sent = 0;
while((sent = read(fd, srcBuf, sizeof(srcBuf))) > 0){
write(dsc, srcBuf, sent);
memset(srcBuf, 0x00, sizeof(srcBuf));
}
close(fd);
close(dsc);
}
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