C/C++ 进程间通信 管道

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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C/C++ 进程间通信 管道相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

使用匿名管道

一、什么是管道
如果你使用过Linux的命令，那么对于管道这个名词你一定不会感觉到陌生，因为我们通常通过符号“|"来使用管道，但是管理的真正定义是什么呢？管道是一个进程连接数据流到另一个进程的通道，它通常是用作把一个进程的输出通过管道连接到另一个进程的输入。
 
举个例子，在shell中输入命令：ls -l | grep string，我们知道ls命令（其实也是一个进程）会把当前目录中的文件都列出来，但是它不会直接输出，而是把本来要输出到屏幕上的数据通过管道输出到grep这个进程中，作为grep这个进程的输入，然后这个进程对输入的信息进行筛选，把存在string的信息的字符串（以行为单位）打印在屏幕上。
 
二、使用popen函数
1、popen函数和pclose函数介绍
有静就有动，有开就有关，与此相同，与popen函数相对应的函数是pclose函数，它们的原型如下：
 
  1. #include <stdio.h>  
  2. FILE* popen (const char *command, const char *open_mode);  
  3. int pclose(FILE *stream_to_close);  
poen函数允许一个程序将另一个程序作为新进程来启动，并可以传递数据给它或者通过它接收数据。command是要运行的程序名和相应的参数。open_mode只能是"r（只读）"和"w（只写）"的其中之一。注意，popen函数的返回值是一个FILE类型的指针，而Linux把一切都视为文件，也就是说我们可以使用stdio I/O库中的文件处理函数来对其进行操作。
 
如果open_mode是"r"，主调用程序就可以使用被调用程序的输出，通过函数返回的FILE指针，就可以能过stdio函数（如fread）来读取程序的输出；如果open_mode是"w"，主调用程序就可以向被调用程序发送数据，即通过stdio函数（如fwrite）向被调用程序写数据，而被调用程序就可以在自己的标准输入中读取这些数据。
 
pclose函数用于关闭由popen创建出的关联文件流。pclose只在popen启动的进程结束后才返回，如果调用pclose时被调用进程仍在运行，pclose调用将等待该进程结束。它返回关闭的文件流所在进程的退出码。
 
2、例子
很多时候，我们根本就不知道输出数据的长度，为了避免定义一个非常大的数组作为缓冲区，我们可以以块的方式来发送数据，一次读取一个块的数据并发送一个块的数据，直到把所有的数据都发送完。下面的例子就是采用这种方式的数据读取和发送方式。源文件名为popen.c，代码如下：
 
  1. #include <unistd.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <stdio.h>  
  4. #include <string.h>  
  5. int main()  
  6. {  
  7. FILE *read_fp = NULL;  
  8. FILE *write_fp = NULL;  
  9. char buffer[BUFSIZ + 1];  
  10. int chars_read = 0;  
  11. //初始化缓冲区  
  12.     memset(buffer, ‘\0‘, sizeof(buffer));  
  13. //打开ls和grep进程  
  14.     read_fp = popen("ls -l", "r");  
  15.     write_fp = popen("grep rwxrwxr-x", "w");  
  16. //两个进程都打开成功  
  17. if(read_fp && write_fp)  
  18.     {  
  19. //读取一个数据块  
  20.         chars_read = fread(buffer, sizeof(char), BUFSIZ, read_fp);  
  21. while(chars_read > 0)  
  22.         {  
  23.             buffer[chars_read] = ‘\0‘;  
  24. //把数据写入grep进程  
  25.             fwrite(buffer, sizeof(char), chars_read, write_fp);  
  26. //还有数据可读，循环读取数据，直到读完所有数据  
  27.             chars_read = fread(buffer, sizeof(char), BUFSIZ, read_fp);  
  28.         }  
  29. //关闭文件流  
  30.         pclose(read_fp);  
  31.         pclose(write_fp);  
  32.         exit(EXIT_SUCCESS);  
  33.     }  
  34.     exit(EXIT_FAILURE);  
  35. }  

3、popen的实现方式及优缺点

当请求popen调用运行一个程序时，它首先启动shell，即系统中的sh命令，然后将command字符串作为一个参数传递给它。
这样就带来了一个优点和一个缺点。优点是：在Linux中所有的参数扩展都是由shell来完成的。所以在启动程序（command中的命令程序）之前先启动shell来分析命令字符串，也就可以使各种shell扩展（如通配符）在程序启动之前就全部完成，这样我们就可以通过popen启动非常复杂的shell命令。
而它的缺点就是：对于每个popen调用，不仅要启动一个被请求的程序，还要启动一个shell，即每一个popen调用将启动两个进程，从效率和资源的角度看，popen函数的调用比正常方式要慢一些。
三、pipe调用
如果说popen是一个高级的函数，pipe则是一个底层的调用。与popen函数不同的是，它在两个进程之间传递数据不需要启动一个shell来解释请求命令，同时它还提供对读写数据的更多的控制。
 
pipe函数的原型如下：
 
  1. #include <unistd.h>  
  2. int pipe(int file_descriptor[2]);  
我们可以看到pipe函数的定义非常特别，该函数在数组中墙上两个新的文件描述符后返回0，如果返回返回-1，并设置errno来说明失败原因。
 
数组中的两个文件描述符以一种特殊的方式连接起来，数据基于先进先出的原则，写到file_descriptor[1]的所有数据都可以从file_descriptor[0]读回来。由于数据基于先进先出的原则，所以读取的数据和写入的数据是一致的。
 
特别提醒：
1、从函数的原型我们可以看到，它跟popen函数的一个重大区别是，popen函数是基于文件流（FILE）工作的，而pipe是基于文件描述符工作的，所以在使用pipe后，数据必须要用底层的read和write调用来读取和发送。
 
2、不要用file_descriptor[0]写数据，也不要用file_descriptor[1]读数据，其行为未定义的，但在有些系统上可能会返回-1表示调用失败。数据只能从file_descriptor[0]中读取，数据也只能写入到file_descriptor[1]，不能倒过来。
 
例子：
首先，我们在原先的进程中创建一个管道，然后再调用fork创建一个新的进程，最后通过管道在两个进程之间传递数据。源文件名为pipe.c，代码如下：
 
  1. #include <unistd.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <stdio.h>  
  4. #include <string.h>  
  5. int main()  
  6. {  
  7. int data_processed = 0;  
  8. int filedes[2];  
  9. const char data[] = "Hello pipe!";  
  10. char buffer[BUFSIZ + 1];  
  11.     pid_t pid;  
  12. //清空缓冲区  
  13.     memset(buffer, ‘\0‘, sizeof(buffer));  
  14. if(pipe(filedes) == 0)  
  15.     {  
  16. //创建管道成功  
  17. //通过调用fork创建子进程  
  18.         pid = fork();  
  19. if(pid == -1)  
  20.         {  
  21.             fprintf(stderr, "Fork failure");  
  22.             exit(EXIT_FAILURE);  
  23.         }  
  24. if(pid == 0)  
  25.         {  
  26. //子进程中  
  27. //读取数据  
  28.             data_processed = read(filedes[0], buffer, BUFSIZ);  
  29.             printf("Read %d bytes: %s\n", data_processed, buffer);  
  30.             exit(EXIT_SUCCESS);  
  31.         }  
  32. else  
  33.         {  
  34. //父进程中  
  35. //写数据  
  36.             data_processed = write(filedes[1], data, strlen(data));  
  37.             printf("Wrote %d bytes: %s\n", data_processed, data);  
  38. //休眠2秒，主要是为了等子进程先结束，这样做也只是纯粹为了输出好看而已  
  39. //父进程其实没有必要等等子进程结束  
  40.             sleep(2);  
  41.             exit(EXIT_SUCCESS);  
  42.         }  
  43.     }  
  44.     exit(EXIT_FAILURE);  
  45. }  
使用匿名管道，则通信的进程之间需要一个父子关系，通信的两个进程一定是由一个共同的祖先进程启动。但是匿名管道没有上面说到的数据交叉的问题。 
与使用匿名管道相比，我们可以看到fifowrite.exe和fiforead.exe这两个进程是没有什么必然的联系的

使用命名管道

一、什么是命名管道
命名管道也被称为FIFO文件，它是一种特殊类型的文件，它在文件系统中以文件名的形式存在，但是它的行为却和之前所讲的没有名字的管道（匿名管道）类似。
 
由于Linux中所有的事物都可被视为文件，所以对命名管道的使用也就变得与文件操作非常的统一，也使它的使用非常方便，同时我们也可以像平常的文件名一样在命令中使用。
 
二、创建命名管道
我们可以使用两下函数之一来创建一个命名管道，他们的原型如下：
 
 
  1. #include <sys/types.h>  
  2. #include <sys/stat.h>  
  3. int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);  
  4. int mknod(const char *filename, mode_t mode | S_IFIFO, (dev_t)0);  
这两个函数都能创建一个FIFO文件，注意是创建一个真实存在于文件系统中的文件，filename指定了文件名，而mode则指定了文件的读写权限。
 
mknod是比较老的函数，而使用mkfifo函数更加简单和规范，所以建议在可能的情况下，尽量使用mkfifo而不是mknod。
 
三、访问命名管道
 
1、打开FIFO文件
与打开其他文件一样，FIFO文件也可以使用open调用来打开。注意，mkfifo函数只是创建一个FIFO文件，要使用命名管道还是将其打开。
 
但是有两点要注意，1、就是程序不能以O_RDWR模式打开FIFO文件进行读写操作，而其行为也未明确定义，因为如一个管道以读/写方式打开，进程就会读回自己的输出，同时我们通常使用FIFO只是为了单向的数据传递。2、就是传递给open调用的是FIFO的路径名，而不是正常的文件。
 
打开FIFO文件通常有四种方式，
 
 
  1. open(const char *path, O_RDONLY);//1  
  2. open(const char *path, O_RDONLY | O_NONBLOCK);//2  
  3. open(const char *path, O_WRONLY);//3  
  4. open(const char *path, O_WRONLY | O_NONBLOCK);//4  
在open函数的调用的第二个参数中，你看到一个陌生的选项O_NONBLOCK，选项O_NONBLOCK表示非阻塞，加上这个选项后，表示open调用是非阻塞的，如果没有这个选项，则表示open调用是阻塞的。
 
open调用的阻塞是什么一回事呢？很简单，对于以只读方式（O_RDONLY）打开的FIFO文件，如果open调用是阻塞的（即第二个参数为O_RDONLY），除非有一个进程以写方式打开同一个FIFO，否则它不会返回；如果open调用是非阻塞的的（即第二个参数为O_RDONLY | O_NONBLOCK），则即使没有其他进程以写方式打开同一个FIFO文件，open调用将成功并立即返回。
 
对于以只写方式（O_WRONLY）打开的FIFO文件，如果open调用是阻塞的（即第二个参数为O_WRONLY），open调用将被阻塞，直到有一个进程以只读方式打开同一个FIFO文件为止；如果open调用是非阻塞的（即第二个参数为O_WRONLY | O_NONBLOCK），open总会立即返回，但如果没有其他进程以只读方式打开同一个FIFO文件，open调用将返回-1，并且FIFO也不会被打开。
 
四、使用FIFO实现进程间的通信
说了这么多，下面就用一个例子程序来说明一下，两个进程如何通过FIFO实现通信吧。这里有两个源文件，一个fifowrite.c，它在需要时创建管道，然后向管道写入数据,数据由文件Data.txt提供，大小为10M，内容全是字符‘0’。另一个源文件为fiforead.c，它从FIFO中读取数据，并把读到的数据保存到另一个文件DataFormFIFO.txt中。为了让程序更加简洁，忽略了有些函数调用是否成功的检查。
 
fifowrite.c的源代码如下：
 
  1. #include <unistd.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <fcntl.h>  
  4. #include <limits.h>  
  5. #include <sys/types.h>  
  6. #include <sys/stat.h>  
  7. #include <stdio.h>  
  8. #include <string.h>  
  9.   
  10. int main()  
  11. {  
  12.     const char *fifo_name = "/tmp/my_fifo";  
  13.     int pipe_fd = -1;  
  14.     int data_fd = -1;  
  15.     int res = 0;  
  16.     const int open_mode = O_WRONLY;  
  17.     int bytes_sent = 0;  
  18.     char buffer[PIPE_BUF + 1];  
  19.   
  20.     if(access(fifo_name, F_OK) == -1)  
  21.     {  
  22.         //管道文件不存在  
  23.         //创建命名管道  
  24.         res = mkfifo(fifo_name, 0777);  
  25.         if(res != 0)  
  26.         {  
  27.             fprintf(stderr, "Could not create fifo %s\n", fifo_name);  
  28.             exit(EXIT_FAILURE);  
  29.         }  
  30.     }  
  31.   
  32.     printf("Process %d opening FIFO O_WRONLY\n", getpid());  
  33.     //以只写阻塞方式打开FIFO文件，以只读方式打开数据文件  
  34.     pipe_fd = open(fifo_name, open_mode);  
  35.     data_fd = open("Data.txt", O_RDONLY);  
  36.     printf("Process %d result %d\n", getpid(), pipe_fd);  
  37.   
  38.     if(pipe_fd != -1)  
  39.     {  
  40.         int bytes_read = 0;  
  41.         //向数据文件读取数据  
  42.         bytes_read = read(data_fd, buffer, PIPE_BUF);  
  43.         buffer[bytes_read] = ‘\0‘;  
  44.         while(bytes_read > 0)  
  45.         {  
  46.             //向FIFO文件写数据  
  47.             res = write(pipe_fd, buffer, bytes_read);  
  48.             if(res == -1)  
  49.             {  
  50.                 fprintf(stderr, "Write error on pipe\n");  
  51.                 exit(EXIT_FAILURE);  
  52.             }  
  53.             //累加写的字节数，并继续读取数据  
  54.             bytes_sent += res;  
  55.             bytes_read = read(data_fd, buffer, PIPE_BUF);  
  56.             buffer[bytes_read] = ‘\0‘;  
  57.         }  
  58.         close(pipe_fd);  
  59.         close(data_fd);  
  60.     }  
  61.     else  
  62.         exit(EXIT_FAILURE);  
  63.   
  64.     printf("Process %d finished\n", getpid());  
  65.     exit(EXIT_SUCCESS);  
  66. }  
源文件fiforead.c的代码如下：
 
  1. #include <unistd.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <stdio.h>  
  4. #include <fcntl.h>  
  5. #include <sys/types.h>  
  6. #include <sys/stat.h>  
  7. #include <limits.h>  
  8. #include <string.h>  
  9. int main()  
  10. {  
  11. const char *fifo_name = "/tmp/my_fifo";  
  12. int pipe_fd = -1;  
  13. int data_fd = -1;  
  14. int res = 0;  
  15. int open_mode = O_RDONLY;  
  16. char buffer[PIPE_BUF + 1];  
  17. int bytes_read = 0;  
  18. int bytes_write = 0;  
  19. //清空缓冲数组  
  20.     memset(buffer, ‘\0‘, sizeof(buffer));  
  21.     printf("Process %d opening FIFO O_RDONLY\n", getpid());  
  22. //以只读阻塞方式打开管道文件，注意与fifowrite.c文件中的FIFO同名  
  23.     pipe_fd = open(fifo_name, open_mode);  
  24. //以只写方式创建保存数据的文件  
  25.     data_fd = open("DataFormFIFO.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);  
  26.     printf("Process %d result %d\n",getpid(), pipe_fd);  
  27. if(pipe_fd != -1)  
  28.     {  
  29. do  
  30.         {  
  31. //读取FIFO中的数据，并把它保存在文件DataFormFIFO.txt文件中  
  32.             res = read(pipe_fd, buffer, PIPE_BUF);  
  33.             bytes_write = write(data_fd, buffer, res);  
  34.             bytes_read += res;  
  35.         }while(res > 0);  
  36.         close(pipe_fd);  
  37.         close(data_fd);  
  38.     }  
  39. else  
  40.         exit(EXIT_FAILURE);  
  41.     printf("Process %d finished, %d bytes read\n", getpid(), bytes_read);  
  42.     exit(EXIT_SUCCESS);  
  43. }  

但是为了数据的安全，我们很多时候要采用阻塞的FIFO，让写操作变成原子操作。

以上是关于C/C++ 进程间通信 管道的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

进程间通信——管道

Linux进程间通信

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