Linux系統程式設計之匿名管道

烏有先生ii發表於2021-12-01
Linux程式設計

1.程式間通訊介紹

1.1 程式通訊的基本概念

在之前我們已經學習過程式地址空間。Linux 環境下，程式地址空間相互獨立，每個程式各自有不同的使用者地址空間。任何一個程式的全域性變數在另一個程式中都看不到，所以程式和程式之間不能相互訪問，要交換資料必須通過核心，在核心中開闢一塊緩衝區，程式1把資料從使用者空間拷到核心緩衝區，程式2再從核心緩衝區把資料讀走，核心提供的這種機制稱為程式間通訊（IPC，Inter Process Communication）。

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1.2 為什麼要程式間通訊

程式通訊主要有以下目的：

  • 資料傳輸：一個程式需要將它的資料傳送給另一個程式。
  • 資源共享：多個程式之間共享同樣的資源。
  • 通知事件：一個程式需要向另一個或一組程式傳送訊息，通知它（它們）發生了某種事件（如程式終止時要通知父程式）。
  • 程式控制：有些程式希望完全控制另一個程式的執行（如Debug程式），此時控制程式希望能夠攔截另一個程式的所有陷入和異常，並能夠及時知道它的狀態改變。

1.3 常見的程式通訊方式

在程式間完成資料傳遞需要藉助作業系統提供特殊的方法，如今常見的程式間通訊方式有：

① 管道 (分為匿名管道與命名管道)
​ ② 訊號 (開銷最小)
​ ③ 共享記憶體

2.管道

2.1管道簡介

管道是Unix中最古老的程式間通訊方式，我們把從一個程式連線到另一個程式的資料流叫做管道。

在Linux中，| 符號被用來代表管道。因為在Linux中，不同的命令，如ps，ls，grep等命令的本質都是可執行程式，| 前面的命令前面的命令通常會輸出大量的結果，這些結果將會交由 | 後面的命令繼續處理。

如下面這個命令就是將ps axj中含有PID的結果輸出：

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2.2 管道的建立和應用

管道的本質是核心中一塊供不同程式進行讀寫的緩衝區，而外在的操作形式是通過檔案讀寫的方式進行。

#include <unistd.h>
功能:建立一無名管道
原型
int pipe(int fd[2]);
引數
fd：檔案描述符陣列,這是一個輸出型引數，呼叫該介面後，將會給fd[2]陣列分配兩個檔案描述符，兩個檔案描述符分別對應管道的讀寫兩端。其中fd[0]表示讀端, fd[1]表示寫端
返回值:成功返回0，失敗返回錯誤程式碼

我們先用一個簡單的例子來看一下管道的建立：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
int main()
{
	int fd[2];
	int ret=pipe(fd); 
	if(-1==ret)
	{
		std::cout<<"管道建立失敗!"<<std::endl;
	}
	std::cout<<"fd[0]:"<<fd[0]<<std::endl<<"fd[1]:"<<fd[1]<<std::endl;
	return 0;
}

執行後：

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可以看到，此時fd[0]和fd[1]返回了兩個檔案描述符。這兩個檔案描述符分別分別對應管道的讀寫兩端。

#include<string.h>    
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/stat.h>
#include<stdlib.h>
#include <sys/types.h>    
#include <fcntl.h>    
int main()    
{    
  int fd[2];    
  pipe(fd);    
  pid_t pid = fork();    
  if(pid < 0)    
  {    
    printf("fork error!");    
  }else if(pid == 0)    
  {    
    //child    
    close(fd[0]);    
    char str[100];    
    while(1)    
    {    
      printf("child:");    
      fgets(str, 100, stdin);    
      ssize_t len = strlen(str);    
      if(write(fd[1], str, len) != len)    
      {    
        perror("write to pipe");
        exit(1);
      }
      memset(str, 0, len);
      sleep(1);
    }
  }
  //father
  int count = 0;
  close(fd[1]);
  while(count < 10)
  {
    char str[100];
    ssize_t s = read(fd[0], str, 100);
    if(s < 0){
      perror("read from pipe");
      break;
    }else{
      printf("father:%s", str);
    }
    memset(str, 0, strlen(str));
  }
  return 0;
}

上面這段程式碼實現了子程式寫入管道，父程式讀出的過程。

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2.3 管道的底層機制

管道是在有血緣關係的程式之間來通訊的，如父子程式，兄弟程式等。因此，應用匿名管道時一定會有fork函式的參與。

如下面這個簡化圖可以看到，

  1. 父程式先使用pipe函式建立管道，得到兩個檔案描述符 fd[0]、fd[1]指向管道的讀端和寫端。

  2. 父程式呼叫fork建立子程式，此時父子程式有相同的struct files_struct，父子程式指向的struct file又指向了同一片檔案緩衝區。（注意：這個表述並不嚴謹，我們下面馬上就會講到）

  3. 接下來父程式關閉寫端，子程式關閉讀端，就可以實現子程式向管道中寫，父程式讀。注意：管道的通訊是單向的！！！！

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在 Linux 中，管道的實現並沒有使用專門的資料結構，而是藉助了檔案系統的file結構和VFS的索引節點inode。通過將兩個 file struct指向同一個臨時的 inode，而這個 VFS 索引節點又指向一個物理頁面而實現的。

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如上圖所示，有兩個 file 資料結構，但它們定義檔案操作例程地址是不同的，其中一個是向管道中寫入資料的例程地址，而另一個是從管道中讀出資料的例程地址。
這樣，使用者程式的系統呼叫仍然是通常的檔案操作，而核心卻利用這種抽象機制實現了管道這一特殊操作。看待管道，就如同看待檔案一樣！管道的使用和檔案一致，迎合了“Linux一切皆檔案思想”。

2.4 管道讀寫規則

用阻塞的方式開啟管道（即預設情況下）

  1. 如果所有管道寫端對應的檔案描述符被關閉（管道寫端引用計數為 0），讀端在將管道中剩餘資料讀取後，再次read會返回0。（寫端關閉）

  2. 如果有指向管道寫端的檔案描述符沒關閉，且持有管道寫端的程式也沒有向管道中寫資料，這時有程式從管道讀端讀資料，那麼管道中剩餘的資料都被讀取後，再次 read 會阻塞。（讀完不寫）

  3. 如果所有指向管道讀端的檔案描述符都關閉了（管道讀端引用計數為 0），進行write操作會產生訊號SIGPIPE,進而可能導致write程式退出。（讀端關閉）

  4. 如果有指向管道讀端的檔案描述符沒關閉（管道讀端引用計數大於 0），且讀端程式並沒有向管道中讀程式，則當寫端程式寫滿後，會進入阻塞。（寫滿不讀）

2.5 管道的特點

  • 只能用於具有共同祖先的程式（具有親緣關係的程式）之間進行通訊。
  • 管道提供流式服務。
  • 管道的生命週期隨程式，程式退出，管道釋放。
  • 核心會對管道操作進行同步與互斥。
  • 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
  • 管道大小為65536 byte

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