LLinux系統程式設計（10）——程式間通訊之管道

管道是Linux中很重要的一種通訊方式,是把一個程式的輸出直接連線到另一個程式的輸入,常說的管道多是指無名管道,無名管道只能用於具有親緣關係的程式之間，這是它與有名管道的最大區別。有名管道叫named pipe或者FIFO(先進先出)。

管道具有以下特點：

1、管道是半雙工的，資料只能向一個方向流動；需要雙方通訊時，需要建立起兩個管道；

2、只能用於父子程式或者兄弟程式之間（具有親緣關係的程式）；

3、單獨構成一種獨立的檔案系統：管道對於管道兩端的程式而言，就是一個檔案，但它不是普通的檔案，它不屬於某種檔案系統，而是自立門戶，單獨構成一種檔案系統，並且只存在與記憶體中。

4、資料的讀出和寫入：一個程式向管道中寫的內容被管道另一端的程式讀出。寫入的內容每次都新增在管道緩衝區的末尾，並且每次都是從緩衝區的頭部讀出資料。

注意：從管道讀資料是一次性操作，資料一旦被讀，它就從管道中被拋棄，釋放空間以便寫更多的資料。

管道的建立：

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2])

該函式建立的管道的兩端處於一個程式中間，在實際應用中沒有太大意義，因此，一個程式在由pipe()建立管道後，一般再fork一個子程式，然後通過管道實現父子程式間的通訊（因此也不難推出，只要兩個程式中存在親緣關係，這裡的親緣關係指的是具有共同的祖先，都可以採用管道方式來進行通訊）。

管道的讀寫規則：

管道兩端可分別用描述字fd[0]以及fd[1]來描述，需要注意的是，管道的兩端是固定了任務的。即一端只能用於讀，由描述字fd[0]表示，稱其為管道讀端；另一端則只能用於寫，由描述字fd[1]來表示，稱其為管道寫端。如果試圖從管道寫端讀取資料，或者向管道讀端寫入資料都將導致錯誤發生。一般檔案的I/O函式都可以用於管道，如close、read、write等等。

從管道中讀取資料：

如果管道的寫端不存在，則認為已經讀到了資料的末尾，讀函式返回的讀出位元組數為0；

當管道的寫端存在時，如果請求的位元組數目大於PIPE_BUF，則返回管道中現有的資料位元組數，如果請求的位元組數目不大於PIPE_BUF，則返回管道中現有資料位元組數（此時，管道中資料量小於請求的資料量）；或者返回請求的位元組數（此時，管道中資料量不小於請求的資料量）。

管道寫端關閉後，寫入的資料將一直存在，直到讀出為止。

下面的程式碼說明管道的讀取規則：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
main()
{
         intpipe_fd[2];
         pid_tpid;
         charr_buf[100];
         charw_buf[4];
         char*p_wbuf;
         intr_num;
         intcmd;
        
         memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
         memset(w_buf,0,sizeof(r_buf));
         p_wbuf=w_buf;
         if(pipe(pipe_fd)<0)
         {
                   printf("pipecreate error\n");
                   return-1;
         }
        
         if((pid=fork())==0)
         {
                   printf("\n");
                   close(pipe_fd[1]);
                   sleep(3);//確保父程式關閉寫端
             r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,100);
printf(       "readnum is %d   the data read from the pipeis %d\n",r_num,atoi(r_buf));
                  
                   close(pipe_fd[0]);
                   exit();
         }
         elseif(pid>0)
         {
         close(pipe_fd[0]);//read
         strcpy(w_buf,"111");
         if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!=-1)
                   printf("parentwrite over\n");
         close(pipe_fd[1]);//write
                   printf("parentclose fd[1] over\n");
         sleep(10);
         }       
}

向管道中寫入資料：

向管道中寫入資料時，linux將不保證寫入的原子性，管道緩衝區一有空閒區域，寫程式就會試圖向管道寫入資料。如果讀程式不讀走管道緩衝區中的資料，那麼寫操作將一直阻塞。

注：只有在管道的讀端存在時，向管道中寫入資料才有意義。否則，向管道中寫入資料的程式將收到核心傳來的SIFPIPE訊號，應用程式可以處理該訊號，也可以忽略（預設動作則是應用程式終止）。

下面的程式碼說明管道的寫規則：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main()
{
         intpipe_fd[2];
         pid_tpid;
         charr_buf[4];
         char*w_buf;
         intwritenum;
         intcmd;
        
         memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
         if(pipe(pipe_fd)<0)
         {
                   printf("pipecreate error\n");
                   return-1;
         }
        
         if((pid=fork())==0)
         {
                   close(pipe_fd[0]);
                   close(pipe_fd[1]);
                   sleep(10);        
                   exit();
         }
         elseif(pid>0)
         {
         sleep(1);  //等待子程式完成關閉讀端的操作
         close(pipe_fd[0]);//write
         w_buf="111";
         if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4))==-1)
                   printf("writeto pipe error\n");
         else 
                   printf("thebytes write to pipe is %d \n", writenum);
        
         close(pipe_fd[1]);
         }       
}

下面的程式碼演示了無名管道用於具有親緣關係的程式間通訊。

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main()
{
         intpipe_fd[2];
         pid_tpid;
         charr_buf[4];
         char**w_buf[256];
         intchildexit=0;
         inti;
         intcmd;
        
         memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
         if(pipe(pipe_fd)<0)
         {
                   printf("pipecreate error\n");
                   return-1;
         }
         if((pid=fork())==0)
         //子程式：解析從管道中獲取的命令，並作相應的處理
         {
                   printf("\n");
                   close(pipe_fd[1]);
                   sleep(2);
                  
                   while(!childexit)
                   {       
                            read(pipe_fd[0],r_buf,4);
                            cmd=atoi(r_buf);
                            if(cmd==0)
                            {
printf("child: receive command fromparent over\n now child process exit\n");
                                     childexit=1;
                            }
                           
                          else if(handle_cmd(cmd)!=0)
                                     return;
                            sleep(1);
                   }
                   close(pipe_fd[0]);
                   exit();
         }
         elseif(pid>0)
         //parent:send commands to child
         {
         close(pipe_fd[0]);
         w_buf[0]="003";
         w_buf[1]="005";
         w_buf[2]="777";
         w_buf[3]="000";
         for(i=0;i<4;i++)
                   write(pipe_fd[1],w_buf[i],4);
         close(pipe_fd[1]);
         }       
}
//下面是子程式的命令處理函式（特定於應用）：
int handle_cmd(int cmd)
{
if((cmd<0)||(cmd>256))
//suppose child only support 256 commands
         {
         printf("child:invalid command \n");
         return-1;
         }
printf("child: the cmd from parent is%d\n", cmd);
return 0;
}

管道的主要侷限性正體現在它的特點上：

只支援單向資料流；

只能用於具有親緣關係的程式之間；

沒有名字；

管道的緩衝區是有限的（管道制存在於記憶體中，在管道建立時，為緩衝區分配一個頁面大小）；

管道所傳送的是無格式位元組流，這就要求管道的讀出方和寫入方必須事先約定好資料的格式，比如多少位元組算作一個訊息（或命令、或記錄）等等；