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:
- 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)
- 由两个文件描述符引用,一个表示读端,一个表示写端。
- 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(只能在一个方向上流动),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。
pipe函数
int pipe(int pipefd[2]); 成功:0;失败:-1,设置errno
创建管道
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:
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。
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
void sys_err(const char *str)
{
perror(str);
exit(1);
}
int main(void)
{
pid_t pid;
char buf[1024];
int fd[2];
char *p = "test for pipe\n";
if (pipe(fd) == -1)
sys_err("pipe");
pid = fork();
if (pid < 0)
{
sys_err("fork err");
}
else if (pid == 0) //child
{
close(fd[1]);
int len = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
write(STDOUT_FILENO, buf, len);
close(fd[0]);
}
else//parent
{
close(fd[0]);
write(fd[1], p, strlen(p));
wait(NULL);
close(fd[1]);
}
return 0;
}
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。
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。
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。
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。