【Linux系统编程】管道

1、什么是管道

管道是针对于本地计算机的两个进程之间的通信而设计的通信方法，管道建立后，实际获得两个文件描述符：一个用于读取而另外一个用于写入。
管道是半双工的，数据在同一时刻只能向一个方向流动，需要双方通信时，需要建立起两个管道。
管道有个特点：如果读端和写端有一端没打开，另一端就会阻塞

2、管道的种类

1、匿名管道(无名管道) :（Anonymous Pipe）:无名管道只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程，即同一进程组下）。
2、**命名管道（Named Pipe，FIFO）：**命名管道单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是单独构成一种文件系统。

3、数据的读写

一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

3.1、管道通信

是利用FIFO排队模型来指挥进程间的通信。把它当作是连接两个实体的一个单向连接器

3.2、管道的命令实例：

ls -l | wc -l
该命令首先创建两个进程，一个对应于ls –1，另一个对应于wc –l。然后，把第一个进程的标准输出设为第二个进程的标准输入。它的作用是计算当前目录下的文件数量。

4、无名管道

无名管道它具有如下特点：

1、只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信，即父子进程、兄弟进程

2、半双工的通信模式，具有固定的读端和写端

3、管道可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写可以使用文件IO如read、write函数。

4.1、pipe() 无名管道的创建

头文件

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

函数说明：pipe()会建立管道，并将文件描述词由参数pipefd数组返回。pipefd[0]为管道里的读取端，pipefd[1]则为管道的写入端。

示例：简单读写

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{int fds[2] = {0};if(pipe(fds) < 0){perror("pipe error");return -1;}// fds[0]:读端  fds[1]: 写端printf("fds[0] = %d fds[1] = %d\n",fds[0], fds[1]);//写内容char *str = "hello";write(fds[1],str,strlen(str));//读内容char buf[128] = "";read(fds[0],buf,sizeof(buf) -1);printf("buf = %s\n",buf);close(fds[0]);close(fds[1]);
}

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{int fds[2] = {0};if (pipe(fds) < 0){perror("pipe error");return -1;}// fds[0]:读端  fds[1]: 写端printf("fds[0] = %d fds[1] = %d\n", fds[0], fds[1]);// 写内容char *str = "hello";write(fds[1], str, strlen(str));char *str2 = " world";write(fds[1], str2, strlen(str2));close(fds[1]);// 读内容char buf[6] = "";while (1){int len = read(fds[0], buf, sizeof(buf) - 1);if (len == 0)break;printf("buf = %s\n", buf);memset(buf, 0, sizeof(buf));}close(fds[0]);}

示例：加入进程

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>int main()
{int fds[2] = {0};if(pipe(fds) < 0){perror("pipe error");return -1;}pid_t pid = fork();if (pid < 0){perror("fork error");return -1;}else if(pid == 0){char *str = "hello";int len = write(fds[1],str,strlen(str));printf("child process write len = %d\n",len);}else if(pid > 0){wait(NULL);char buf[128] = "";read(fds[0],buf,sizeof(buf) -1);printf("buf = %s\n",buf);}close(fds[0]);close(fds[1]);}

示例：通过 管道（pipe） 实现 父子进程之间的双向通信

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>int main()
{int fds1[2] = {0};if(pipe(fds1) < 0){perror("pipe error");return -1;}int fds2[2] = {0};if(pipe(fds2) < 0){perror("pipe error");return -1;}pid_t pid = fork();if (pid < 0){perror("fork error");return -1;}else if(pid == 0){char *str = "hello";int len = write(fds1[1],str,strlen(str));printf("child process write len = %d\n",len);char buf[128] = "";read(fds2[0],buf,sizeof(buf) -1);printf("child buf = %s\n",buf);}else if(pid > 0){char buf[128] = "";read(fds1[0],buf,sizeof(buf) -1);printf("buf = %s\n",buf);char *str = " world";int len = write(fds2[1],str,strlen(str));printf("parent write len = %d\n",len);wait(NULL);}close(fds1[0]);close(fds1[1]);close(fds2[0]);close(fds2[1]);}

4.2、popen（）建立管道I/O,操作命令

头文件

#include<stdio.h>

函数定义

FILE *popen(const char *command, const char *type);

参数
command：要执行的外部命令，例如 “ls -l” 或 “grep hello”。

type：

• “r”：以只读模式打开管道，读取命令的输出。
• “w”：以只写模式打开管道，向命令发送输入。

返回值：

• 成功：返回一个 FILE 指针，可以像操作文件一样操作管道。
• 失败：返回 NULL，并设置 errno。

注意事项：
在编写具SUID/SGID权限的程序时请尽量避免使用popen()，popen()会继承环境变量，通过环境变量可能会造成系统安全的问题。
popen 执行的命令是通过 shell 解析的，因此需要小心命令注入攻击。

关闭管道
函数定义

int pclose(FILE *stream);

stream：popen 返回的 FILE 指针。

返回值：

• 成功：返回命令的退出状态。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>int main()
{FILE *fp = popen("ls -l","r");  //打开ls -l 命令，获取文件指针if(NULL  == fp){perror("popen error");return -1;}char buf[1280] = {0};fread(buf,sizeof(buf) - 1,1,fp);  //读取文件指针指向文件的内容printf("buf = %s\n",buf);pclose(fp);fp = popen("wc","w");   //以写的方式打开wcfwrite(buf,strlen(buf),1,fp);   //把从ls里面读取的内容写到wc里面pclose(fp);system("ls -l | wc");
}

管道左边是读取ls -l的内容、右边是写入内容给wc -l统计

5、命名管道

5.1、为什么要有命名管道

无名管道只能用于具有亲缘关系的进程之间，这就限制了无名管道的使用范围

有名管道可以使互不相关的两个进程互相通信。有名管道可以通过路径名来指出，并且在文件系统中可见

进程通过文件IO来操作有名管道

有名管道遵循先进先出规则

不支持如lseek() 操作

5.2、mkfifo（）建立命名管道

头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

函数定义

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

参数
pathname：命名管道的文件路径，例如 “/tmp/myfifo”。

mode：管道的权限模式，通常使用八进制表示，例如 0666。

返回值：

• 成功：返回 0。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

mkfifo()会依参数pathname建立特殊的FIFO文件，该文件必须不存在
参数mode为该文件的权限，因此mode值也会影响到FIFO文件的权限。

当使用open()来打开FIFO文件时O_NONBLOCK旗标会有影响

int open( const char * pathname, int flags);

1、当使用O_NONBLOCK（非阻塞模式） 旗标时，打开FIFO 文件来读取的操作会立刻返回，但是若还没有其他进程打开FIFO 文件来读取，则写入的操作会返回ENXIO 错误代码。必须保证在写时，一定有进程可以接收（读）

2、没有使用O_NONBLOCK 旗标时，打开FIFO 来读取的操作会等待其他进程打开FIFO文件来写入才正常返回。反之亦是如此

3、O_RDONLY或O_WRONLY可与O_NONBLOCK组合使用

• O_RDONLY 调用open()主进程会处于等待状态，直到其它进程打开相同的FIFO进行写入后才返回
• O_RDONLY|O_NONBLOCK 调用open()后运行读操作并立即返回主进程
• O_WRONLY 调用open()主进程会处于等待状态，直到其它进程打开相同的FIFO进行读取后才返回
• O_WRONLY|O_NONBLOCK 调用open()后运行写操作并立即返回主进程

返回值

• 若成功则返回0，否则返回-1，错误原因存于errno中。

EACCESS 参数pathname所指定的目录路径无可执行的权限
EEXIST 参数pathname所指定的文件已存在。
ENAMETOOLONG 参数pathname的路径名称太长。
ENOENT 参数pathname包含的目录不存在
ENOSPC文件系统的剩余空间不足
ENOTDIR 参数pathname路径中的目录存在但却非真正的目录。
EROFS参数pathname指定的文件存在于只读文件系统内。

注意：命名管道的使用必须在linux文件夹中使用，不能在winxp映射到linux文件夹中。
管道文件读多少，就清空多少。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main()
{//建立管道文件前,检查要创建的文件是否存在char *filename  = "fifo";if(access(filename,F_OK) != 0){if(mkfifo(filename,0666) < 0){perror("mkfifo error");return -1;}}//用open 打开管道文件int fd = open(filename,O_RDWR);if(fd < 0){perror("open error");return -1;}char *str = "hello";write(fd,str,strlen(str));char buf[128] = "";read(fd,buf,sizeof(buf)-1);printf("buf = %s\n",buf);close(fd);unlink(filename);
}

5.3、命名管道实现进程间的双向通信

5.3.1、读端

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main()
{//建立管道文件前,检查要创建的文件是否存在char *filename  = "fifo";if(access(filename,F_OK) != 0){if(mkfifo(filename,0666) < 0){perror("mkfifo error");return -1;}}//用open 打开管道文件int fd = open(filename,O_RDWR);if(fd < 0){perror("open error");return -1;}char buf[128] = "";read(fd,buf,sizeof(buf)-1);printf("buf = %s\n",buf);char *str = " world";write(fd,str,strlen(str));printf("write success\n");close(fd);
}

5.3.2、写端

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main()
{//建立管道文件前,检查要创建的文件是否存在char *filename  = "fifo";if(access(filename,F_OK) != 0){if(mkfifo(filename,0666) < 0){perror("mkfifo error");return -1;}}//用open 打开管道文件int fd = open(filename,O_RDWR);if(fd < 0){perror("open error");return -1;}char *str = "hello";write(fd,str,strlen(str));printf("write success\n");char buf[128] = "";read(fd,buf,sizeof(buf)-1);printf("read buf = %s\n",buf);close(fd);unlink(filename);
}

5.4、练习1

父子进程，父进程向子进程发送一个整数数组，子进程接收到后计算数组元素之和，再把结果发送给父进程，父进程输出结果

//父子进程，父进程向子进程发送一个整数数组，子进程接收到后计算数组元素之和
//再把结果发送给父进程，父进程输出结果
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>int main()
{int fds1[2] = {0};if(pipe(fds1) < 0){perror("pipe error");return -1;}int fds2[2] = {0};if(pipe(fds2) < 0){perror("pipe error");return -1;}pid_t pid = fork();if (pid < 0){perror("fork error");return -1;}else if(pid == 0){int a[5] = {0};read(fds2[0],a,sizeof(a));int sum = 0;for (int i = 0; i < 5; i++){sum += a[i];}int buf = sum;int len = write(fds1[1],&buf,sizeof(buf));}else if(pid > 0){int a[5] = {1,2,3,4,5};int len = write(fds2[1],a,sizeof(a));int sum = 0;read(fds1[0],&sum,sizeof(sum));printf("sum = %d\n",sum);wait(NULL);}close(fds1[0]);close(fds1[1]);close(fds2[0]);close(fds2[1]);
}

5.5、练习2

用无名管道实现简易版文件复制程序
1.父进程打开一个源文件，将文件内容通过管道发送给子进程
2：子进程接收文件内容后写入另一个文件里

//用无名管道实现简易版文件复制程序
//1.父进程打开一个源文件，将文件内容通过管道发送给子进程
//2：子进程接收文件内容后写入另一个文件里#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>int main()
{const char *path = "hello.txt";const char *path2 = "hello2.txt";int fds[2] = {0};if(pipe(fds) < 0){perror("pipe error");return -1;}pid_t pid = fork();if (pid < 0){perror("fork error");return -1;}else if(pid == 0){char buf[9] = "";read(fds[0],buf,sizeof(buf)-1);int fd = open(path2,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0664);write(fd,buf,strlen(buf));}else if(pid > 0){int fd = open(path,O_RDONLY);char buf[9] = "";read(fd,buf,sizeof(buf)-1);write(fds[1],buf,strlen(buf));wait(NULL);}
}

6、典型的FIFO模型

7、命名管道与无名管道的区别

PIPE(无名管道)与FIFO(命名管道)的区别：
1.PIPE只能在亲缘进程之间传送数据，FIFO可在不相关的进程间传送数据
2.PIPE管道的消息在进程消失之后随之消失，但是FIFO管道的文件本身是永久的，它存在于真实的磁盘文件中，它并不会因为进程的消失而消失
3.FIFO管道支持同时多个读取端与写入端，多个进程可以写入或读取同一个FIFO文件