管道及有名管道

在本系列序中作者概述了 linux 進程間通信的幾種主要手段。其中管道和有名管道是最早的進程間通信機制之一，管道可用于具有親緣關系進程間的通信，有名管道克服了管道沒有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它還允許無親緣關系進程間的通信。 認清管道和有名管道的讀寫規則是在程序中應用它們的關鍵，本文在詳細討論了管道和有名管道的通信機制的基礎上，用實例對其讀寫規則進行了程序驗證，這樣做有利于增強讀者對讀寫規則的感性認識，同時也提供了應用范例。
1、 管道概述及相關API應用
1.1 管道相關的關鍵概念
管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一，具有以下特點：
* 管道是半雙工的，數據只能向一個方向流動；需要雙方通信時，需要建立起兩個管道； 
* 只能用于父子進程或者兄弟進程之間（具有親緣關系的進程）； 
* 單獨構成一種獨立的文件系統：管道對于管道兩端的進程而言，就是一個文件，但它不是普通的文件，它不屬于某種文件系統，而是自立門戶，單獨構成一種文件系統，并且只存在與內存中。 
* 數據的讀出和寫入：一個進程向管道中寫的內容被管道另一端的進程讀出。寫入的內容每次都添加在管道緩沖區的末尾，并且每次都是從緩沖區的頭部讀出數據。 
1.2管道的創建：
#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2])
該函數創建的管道的兩端處于一個進程中間，在實際應用中沒有太大意義，因此，一個進程在由pipe()創建管道后，一般再fork一個子進程，然后通過管道實現父子進程間的通信（因此也不難推出，只要兩個進程中存在親緣關系，這里的親緣關系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式來進行通信）。
1.3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。即一端只能用于讀，由描述字fd[0]表示，稱其為管道讀端；另一端則只能用于寫，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數據，或者向管道讀端寫入數據都將導致錯誤發生。一般文件的I/O函數都可以用于管道，如close、read、write等等。
從管道中讀取數據：
* 如果管道的寫端不存在，則認為已經讀到了數據的末尾，讀函數返回的讀出字節數為0； 
* 當管道的寫端存在時，如果請求的字節數目大于PIPE_BUF，則返回管道中現有的數據字節數，如果請求的字節數目不大于PIPE_BUF，則返回管道中現有數據字節數（此時，管道中數據量小于請求的數據量）；或者返回請求的字節數（此時，管道中數據量不小于請求的數據量）。注：（PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定義，不同的內核版本可能會有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少為512字節，red hat 7.2中為4096）。 
關于管道的讀規則驗證：

/**************
 * readtest.c *
 **************/
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
main()
{
	int pipe_fd[2];
	pid_t pid;
	char r_buf[100];
	char w_buf[4];
	char* p_wbuf;
	int r_num;
	int cmd;
	
	memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
	memset(w_buf,0,sizeof(r_buf));
	p_wbuf=w_buf;
	if(pipe(pipe_fd)<0)
	{
		printf("pipe create error\n");
		return -1;
	}
	
	if((pid=fork())==0)
	{
		printf("\n");
		close(pipe_fd[1]);
		sleep(3);//確保父進程關閉寫端
	    r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,100);
printf(	"read num is %d   the data read from the pipe is %d\n",r_num,atoi(r_buf));
		
		close(pipe_fd[0]);
		exit();
	}
	else if(pid>0)
	{
	close(pipe_fd[0]);//read
	strcpy(w_buf,"111");
	if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!=-1)
		printf("parent write over\n");
	close(pipe_fd[1]);//write
		printf("parent close fd[1] over\n");
	sleep(10);
	}	
}
 /**************************************************
 * 程序輸出結果：
 * parent write over
 * parent close fd[1] over
 * read num is 4   the data read from the pipe is 111
 * 附加結論：
 * 管道寫端關閉后，寫入的數據將一直存在，直到讀出為止.
 ****************************************************/ 
向管道中寫入數據：
* 向管道中寫入數據時，linux將不保證寫入的原子性，管道緩沖區一有空閑區域，寫進程就會試圖向管道寫入數據。如果讀進程不讀走管道緩沖區中的數據，那么寫操作將一直阻塞。 
注：只有在管道的讀端存在時，向管道中寫入數據才有意義。否則，向管道中寫入數據的進程將收到內核傳來的SIFPIPE信號，應用程序可以處理該信號，也可以忽略（默認動作則是應用程序終止）。 
對管道的寫規則的驗證1：寫端對讀端存在的依賴性

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main()
{
	int pipe_fd[2];
	pid_t pid;
	char r_buf[4];
	char* w_buf;
	int writenum;
	int cmd;
	
	memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
	if(pipe(pipe_fd)<0)
	{
		printf("pipe create error\n");
		return -1;
	}
	
	if((pid=fork())==0)
	{
		close(pipe_fd[0]);
		close(pipe_fd[1]);
		sleep(10);	
		exit();
	}
	else if(pid>0)
	{
	sleep(1);  //等待子進程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("write to pipe error\n");
	else	
		printf("the bytes write to pipe is %d \n", writenum);
	
	close(pipe_fd[1]);
	}	
}
則輸出結果為： Broken pipe,原因就是該管道以及它的所有fork()產物的讀端都已經被關閉。如果在父進程中保留讀端，即在寫完pipe后，再關閉父進程的讀端，也會正常寫入pipe，讀者可自己驗證一下該結論。因此，在向管道寫入數據時，至少應該存在某一個進程，其中管道讀端沒有被關閉，否則就會出現上述錯誤（管道斷裂,進程收到了SIGPIPE信號，默認動作是進程終止）
對管道的寫規則的驗證2：linux不保證寫管道的原子性驗證

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
main(int argc,char**argv)
{
	int pipe_fd[2];
	pid_t pid;
	char r_buf[4096];
	char w_buf[4096*2];
	int writenum;
	int rnum;
	memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));	
	if(pipe(pipe_fd)<0)
	{
		printf("pipe create error\n");
		return -1;
	}
	
	if((pid=fork())==0)
	{
		close(pipe_fd[1]);
		while(1)
		{
		sleep(1);	
		rnum=read(pipe_fd[0],r_buf,1000);
		printf("child: readnum is %d\n",rnum);
		}
		close(pipe_fd[0]);
		
		exit();
	}
	else if(pid>0)
	{
	close(pipe_fd[0]);//write
	memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));	
	if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,1024))==-1)
		printf("write to pipe error\n");
	else	
		printf("the bytes write to pipe is %d \n", writenum);
	writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4096);
	close(pipe_fd[1]);
	}	
}

輸出結果：
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 1000  //注意，此行輸出說明了寫入的非原子性
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 120  //注意，此行輸出說明了寫入的非原子性
the bytes write to pipe 0
the bytes write to pipe 0
......
結論：
寫入數目小于4096時寫入是非原子的！
如果把父進程中的兩次寫入字節數都改為5000，則很容易得出下面結論：
寫入管道的數據量大于4096字節時，緩沖區的空閑空間將被寫入數據（補齊），直到寫完所有數據為止，如果沒有進程讀數據，則一直阻塞。
1.4管道應用實例：
實例一：用于shell
管道可用于輸入輸出重定向，它將一個命令的輸出直接定向到另一個命令的輸入。比如，當在某個shell程序（Bourne shell或C shell等）鍵入who│wc -l后，相應shell程序將創建who以及wc兩個進程和這兩個進程間的管道?？紤]下面的命令行：
$kill -l 運行結果見附一。
$kill -l | grep SIGRTMIN 運行結果如下：

30) SIGPWR	31) SIGSYS	32) SIGRTMIN	33) SIGRTMIN+1
34) SIGRTMIN+2	35) SIGRTMIN+3	36) SIGRTMIN+4	37) SIGRTMIN+5
38) SIGRTMIN+6	39) SIGRTMIN+7	40) SIGRTMIN+8	41) SIGRTMIN+9
42) SIGRTMIN+10	43) SIGRTMIN+11	44) SIGRTMIN+12	45) SIGRTMIN+13
46) SIGRTMIN+14	47) SIGRTMIN+15	48) SIGRTMAX-15	49) SIGRTMAX-14
實例二：用于具有親緣關系的進程間通信
下面例子給出了管道的具體應用，父進程通過管道發送一些命令給子進程，子進程解析命令，并根據命令作相應處理。

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main()
{
	int pipe_fd[2];
	pid_t pid;
	char r_buf[4];
	char** w_buf[256];
	int childexit=0;
	int i;
	int cmd;
	
	memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));

	if(pipe(pipe_fd)<0)
	{
		printf("pipe create error\n");
		return -1;
	}
	if((pid=fork())==0)
	//子進程：解析從管道中獲取的命令，并作相應的處理
	{
		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 from parent over\n now child process exit\n");
				childexit=1;
			}
			
		       else if(handle_cmd(cmd)!=0)
				return;
			sleep(1);
		}
		close(pipe_fd[0]);
		exit();
	}
	else if(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]);
	}	
}
//下面是子進程的命令處理函數（特定于應用）：
int handle_cmd(int cmd)
{