Linux系統編程之匿名管道
1.進程間通信介紹
1.1 進程通信的基本概念
在之前我們已經學習過進程地址空間。Linux 環境下，進程地址空間相互獨立，每個進程各自有不同的用戶地址空間。任何一個進程的全局變量在另一個進程中都看不到，所以進程和進程之間不能相互訪問，要交換數據必須通過內核，在內核中開闢一塊緩衝區，進程1把數據從用戶空間拷到內核緩衝區，進程2再從內核緩衝區把數據讀走，內核提供的這種機制稱為進程間通信（IPC，Inter Process Communication）。
1.2 為什麼要進程間通信
進程通信主要有以下目的：
- 數據傳輸：一個進程需要將它的數據發送給另一個進程。
- 資源共享：多個進程之間共享同樣的資源。
- 通知事件：一個進程需要向另一個或一組進程發送消息，通知它（它們）發生了某種事件（如進程終止時要通知父進程）。
- 進程控制：有些進程希望完全控制另一個進程的執行（如Debug進程），此時控制進程希望能夠攔截另一個進程的所有陷入和異常，並能夠及時知道它的狀態改變。
1.3 常見的進程通信方式
在進程間完成數據傳遞需要藉助操作系統提供特殊的方法，如今常見的進程間通信方式有：
① 管道 (分為匿名管道與命名管道)
② 信號 (開銷最小)
③ 共享內存
2.管道
2.1管道簡介
管道是Unix中最古老的進程間通信方式，我們把從一個進程連接到另一個進程的數據流叫做管道。
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序，| 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：
2.2 管道的創建和應用
管道的本質是內核中一塊供不同進程進行讀寫的緩衝區，而外在的操作形式是通過文件讀寫的方式進行。
#include <unistd.h>
功能:創建一無名管道
原型
int pipe(int fd[2]);
參數
fd：文件描述符數組,這是一個輸出型參數，調用該接口後，將會給fd[2]數組分配兩個文件描述符，兩個文件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，失敗返回錯誤代碼
我們先用一個簡單的例子來看一下管道的創建：
#include<iostream>
#include<unistd.h>
int main()
{
int fd[2];
int ret=pipe(fd);
if(-1==ret)
{
std::cout<<"管道創建失敗!"<<std::endl;
}
std::cout<<"fd[0]:"<<fd[0]<<std::endl<<"fd[1]:"<<fd[1]<<std::endl;
return 0;
}
運行後：
可以看到，此時fd[0]和fd[1]返回了兩個文件描述符。這兩個文件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;
}
上面這段代碼實現了子進程寫入管道，父進程讀出的過程。
2.3 管道的底層機制
管道是在有血緣關係的進程之間來通信的，如父子進程，兄弟進程等。因此，應用匿名管道時一定會有fork函數的參與。
如下面這個簡化圖可以看到，
-
父進程先使用pipe函數創建管道，得到兩個文件描述符 fd[0]、fd[1]指向管道的讀端和寫端。
-
父進程調用fork創建子進程，此時父子進程有相同的struct files_struct，父子進程指向的struct file又指向了同一片文件緩衝區。（注意：這個表述並不嚴謹，我們下面馬上就會講到）
-
接下來父進程關閉寫端，子進程關閉讀端，就可以實現子進程向管道中寫，父進程讀。注意：管道的通信是單向的！！！！
在 Linux 中，管道的實現並沒有使用專門的數據結構，而是藉助了文件系統的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。
如上圖所示，有兩個 file 數據結構，但它們定義文件操作例程地址是不同的，其中一個是向管道中寫入數據的例程地址，而另一個是從管道中讀出數據的例程地址。
這樣，用戶程序的系統調用仍然是通常的文件操作，而內核卻利用這種抽象機制實現了管道這一特殊操作。看待管道，就如同看待文件一樣！管道的使用和文件一致，迎合了「Linux一切皆文件思想」。
2.4 管道讀寫規則
用阻塞的方式打開管道（即默認情況下）
-
如果所有管道寫端對應的文件描述符被關閉（管道寫端引用計數為 0），讀端在將管道中剩餘數據讀取後，再次read會返回0。（寫端關閉）
-
如果有指向管道寫端的文件描述符沒關閉，且持有管道寫端的進程也沒有向管道中寫數據，這時有進程從管道讀端讀數據，那麼管道中剩餘的數據都被讀取後，再次 read 會阻塞。（讀完不寫）
-
如果所有指向管道讀端的文件描述符都關閉了（管道讀端引用計數為 0），進行write操作會產生信號SIGPIPE,進而可能導致write進程退出。（讀端關閉）
-
如果有指向管道讀端的文件描述符沒關閉（管道讀端引用計數大於 0），且讀端進程並沒有向管道中讀進程，則當寫端進程寫滿後，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進程（具有親緣關係的進程）之間進行通信。
- 管道提供流式服務。
- 管道的生命周期隨進程，進程退出，管道釋放。
- 內核會對管道操作進行同步與互斥。
- 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
- 管道大小為65536 byte
