linux管道pipe详解

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了linux管道pipe详解相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

管道

管道的概念:

管道是一种最基本的IPC机制,作用于有血缘关系的进程之间,完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质:

1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)

2. 由两个文件描述符引用,一个表示读端,一个表示写端。

3. 规定数据从管道的写端流入管道,从读端流出。

管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制,借助内核缓冲区(4k)实现。

管道的局限性:

① 数据自己读不能自己写。

② 数据一旦被读走,便不在管道中存在,不可反复读取。

③ 由于管道采用半双工通信方式。因此,数据只能在一个方向上流动。

④ 只能在有公共祖先的进程间使用管道。

常见的通信方式有,单工通信、半双工通信、全双工通信。

pipe函数

创建管道

    int pipe(int pipefd[2]); 成功:0;失败:-1,设置errno

函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open,但需手动close。规定:fd[0] → r; fd[1] → w,就像0对应标准输入,1对应标准输出一样。向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

管道创建成功以后,创建该管道的进程(父进程)同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢?通常可以采用如下步骤:

\'linux管道pipe详解_#include\'

1. 父进程调用pipe函数创建管道,得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。

2. 父进程调用fork创建子进程,那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。

3. 父进程关闭管道读端,子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据,子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的,数据从写端流入管道,从读端流出,这样就实现了进程间通信。

    练习:父子进程使用管道通信,父写入字符串,子进程读出并,打印到屏幕。 【pipe.c】

思考:为甚么,程序中没有使用sleep函数,但依然能保证子进程运行时一定会读到数据呢?

 

  1. #include <unistd.h>
  2.  
  3. #include <string.h>
  4.  
  5. #include <stdlib.h>
  6.  
  7. #include <stdio.h>
  8.  
  9. #include <sys/wait.h>
  10.  
  11.  
  12. void sys_err(const char *str)
  13.  
  14. {
  15.  
  16. perror(str);
  17.  
  18. exit(1);
  19.  
  20. }
  21.  
  22.  
  23. int main(void)
  24.  
  25. {
  26.  
  27. pid_t pid;
  28.  
  29. char buf[1024];
  30.  
  31. int fd[2];
  32.  
  33. char *p = "test for pipe\\n";
  34.  
  35.  
  36. if (pipe(fd) == -1)
  37.  
  38. sys_err("pipe");
  39.  
  40.  
  41. pid = fork();
  42.  
  43. if (pid < 0) {
  44.  
  45. sys_err("fork err");
  46.  
  47. } else if (pid == 0) {
  48.  
  49. close(fd[1]);
  50.  
  51. int len = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
  52.  
  53. write(STDOUT_FILENO, buf, len);
  54.  
  55. close(fd[0]);
  56.  
  57. } else {
  58.  
  59. close(fd[0]);
  60.  
  61. write(fd[1], p, strlen(p));
  62.  
  63. wait(NULL);
  64.  
  65. close(fd[1]);
  66.  
  67. }
  68.  
  69.  
  70. return 0;
  71.  
  72. }

 

管道的读写行为

    使用管道需要注意以下4种特殊情况(假设都是阻塞I/O操作,没有设置O_NONBLOCK标志):

1. 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了(管道写端引用计数为0),而仍然有进程从管道的读端读数据,那么管道中剩余的数据都被读取后,再次read会返回0,就像读到文件末尾一样。

2. 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭(管道写端引用计数大于0),而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据,这时有进程从管道读端读数据,那么管道中剩余的数据都被读取后,再次read会阻塞,直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。

3. 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了(管道读端引用计数为0),这时有进程向管道的写端write,那么该进程会收到信号SIGPIPE,通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉,不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。

4. 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭(管道读端引用计数大于0),而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据,这时有进程向管道写端写数据,那么在管道被写满时再次write会阻塞,直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

总结:

① 读管道: 1. 管道中有数据,read返回实际读到的字节数。

2. 管道中无数据:

(1) 管道写端被全部关闭,read返回0 (好像读到文件结尾)

  (2) 写端没有全部被关闭,read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达,此时会让出cpu)

    ② 写管道: 1. 管道读端全部被关闭, 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号,使进程不终止)

2. 管道读端没有全部关闭:

(1) 管道已满,write阻塞。

(2) 管道未满,write将数据写入,并返回实际写入的字节数。

    练习:使用管道实现父子进程间通信,完成:ls | wc –l。假定父进程实现ls,子进程实现wc。

ls命令正常会将结果集写出到stdout,但现在会写入管道的写端;wc –l 正常应该从stdin读取数据,但此时会从管道的读端读。      【pipe1.c】

 

  1. #include <stdio.h>
  2.  
  3. #include <unistd.h>
  4.  
  5. #include <sys/wait.h>
  6.  
  7.  
  8. int main(void)
  9.  
  10. {
  11.  
  12. pid_t pid;
  13.  
  14. int fd[2];
  15.  
  16.  
  17. pipe(fd);
  18.  
  19. pid = fork();
  20.  
  21.  
  22. if (pid == 0) { //child
  23.  
  24. close(fd[1]); //子进程从管道中读数据,关闭写端
  25.  
  26. dup2(fd[0], STDIN_FILENO); //让wc从管道中读取数据
  27.  
  28. execlp("wc", "wc", "-l", NULL); //wc命令默认从标准读入取数据
  29.  
  30.  
  31. } else {
  32.  
  33.  
  34. close(fd[0]); //父进程向管道中写数据,关闭读端
  35.  
  36. dup2(fd[1], STDOUT_FILENO); //将ls的结果写入管道中
  37.  
  38. execlp("ls", "ls", NULL); //ls输出结果默认对应屏幕
  39.  
  40. }
  41.  
  42.  
  43. return 0;
  44.  
  45. }
  46.  
  47.  
  48.  
  49.  
  50.  
  51.  
  52. /*
  53.  
  54. * 程序不时的会出现先打印$提示符,再出程序运行结果的现象。
  55.  
  56. * 这是因为:父进程执行ls命令,将输出结果给通过管道传递给
  57.  
  58. * 子进程去执行wc命令,这时父进程若先于子进程打印wc运行结果
  59.  
  60. * 之前被shell使用wait函数成功回收,shell就会先于子进程打印
  61.  
  62. * wc运行结果之前打印$提示符。
  63.  
  64. * 解决方法:让子进程执行ls,父进程执行wc命令。或者在兄弟进程间完成。
  65.  
  66. */
  67.  

 

 

程序执行,发现程序执行结束,shell还在阻塞等待用户输入。这是因为,shell → fork → ./pipe1, 程序pipe1的子进程将stdin重定向给管道,父进程执行的ls会将结果集通过管道写给子进程。若父进程在子进程打印wc的结果到屏幕之前被shell调用wait回收,shell就会先输出$提示符。

    练习:使用管道实现兄弟进程间通信。 兄:ls  弟: wc -l  父:等待回收子进程。

要求,使用“循环创建N个子进程”模型创建兄弟进程,使用循环因子i标示。注意管道读写行为。 【pipe2.c】

 

  1. #include <stdio.h>
  2.  
  3. #include <unistd.h>
  4.  
  5. #include <sys/wait.h>
  6.  
  7.  
  8. int main(void)
  9.  
  10. {
  11.  
  12. pid_t pid;
  13.  
  14. int fd[2], i;
  15.  
  16.  
  17. pipe(fd);
  18.  
  19.  
  20. for (i = 0; i < 2; i++) {
  21.  
  22. if((pid = fork()) == 0) {
  23.  
  24. break;
  25.  
  26. }
  27.  
  28. }
  29.  
  30.  
  31. if (i == 0) { //兄
  32.  
  33. close(fd[0]); //写,关闭读端
  34.  
  35. dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
  36.  
  37. execlp("ls", "ls", NULL);
  38.  
  39. } else if (i == 1) { //弟
  40.  
  41. close(fd[1]); //读,关闭写端
  42.  
  43. dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
  44.  
  45. execlp("wc", "wc", "-l", NULL);
  46.  
  47. } else {
  48.  
  49. close(fd[0]);
  50.  
  51. close(fd[1]);
  52.  
  53. for(i = 0; i < 2; i++) //两个儿子wait两次
  54.  
  55. wait(NULL);
  56.  
  57. }
  58.  
  59.  
  60. return 0;
  61.  
  62. }

 

 

    测试:是否允许,一个pipe有一个写端,多个读端呢?是否允许有一个读端多个写端呢? 【pipe3.c】

 

  1. #include <stdio.h>
  2.  
  3. #include <unistd.h>
  4.  
  5. #include <sys/wait.h>
  6.  
  7. #include <string.h>
  8.  
  9. #include <stdlib.h>
  10.  
  11.  
  12. int main(void)
  13.  
  14. {
  15.  
  16. pid_t pid;
  17.  
  18. int fd[2], i, n;
  19.  
  20. char buf[1024];
  21.  
  22.  
  23. int ret = pipe(fd);
  24.  
  25. if(ret == -1){
  26.  
  27. perror("pipe error");
  28.  
  29. exit(1);
  30.  
  31. }
  32.  
  33.  
  34. for(i = 0; i < 2; i++){
  35.  
  36. if((pid = fork()) == 0)
  37.  
  38. break;
  39.  
  40. else if(pid == -1){
  41.  
  42. perror("pipe error");
  43.  
  44. exit(1);
  45.  
  46. }
  47.  
  48. }
  49.  
  50.  
  51. if (i == 0) {
  52.  
  53. close(fd[0]);
  54.  
  55. write(fd[1], "1.hello\\n", strlen("1.hello\\n"));
  56.  
  57. } else if(i == 1) {
  58.  
  59. close(fd[0]);
  60.  
  61. write(fd[1], "2.world\\n", strlen("2.world\\n"));
  62.  
  63. } else {
  64.  
  65. close(fd[1]); //父进程关闭写端,留读端读取数据
  66.  
  67. // sleep(1);
  68.  
  69. n = read(fd[0], buf, 1024); //从管道中读数据
  70.  
  71. write(STDOUT_FILENO, buf, n);
  72.  
  73.  
  74. for(i = 0; i < 2; i++) //两个儿子wait两次
  75.  
  76. wait(NULL);
  77.  
  78. }
  79.  
  80.  
  81. return 0;
  82.  
  83. }

 

 

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