Linux pipe

1、 管道概述及相关API应用

1.1 管道相关的关键概念

管道是Linux 支持的最初Unix IPC形式之一，具有以下特点：

    管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道；
    只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）；
    单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。
    数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

1.2管道的创建：

#include <unistd.h>

int pipe(int fd[2])

该函数创建的管道的两端处于一个进程中间，在实际应用中没有太大意义，因此，一个进程在由pipe()创建管道后，一般再fork一个子进程，然后通过管道实现父子进程间的通信（因此也不难推出，只要两个进程中存在亲缘关系，这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式来进行通信）。

1.3管道的读写规则：

管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字fd[1]来表示，称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道，如close、read、write等等。

从管道中读取数据：

    如果管道的写端不存在，则认为已经读到了数据的末尾，读函数返回的读出字节数为0；
    当管道的写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF，则返回管道中现有的数据字节数，如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF，则返回管道中现有数据字节数（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）。注：（PIPE_BUF在 include/linux/limits.h中定义，不同的内核版本可能会有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少为512字节，red hat 7.2中为4096）。

关于管道的读规则验证：

/**************

* 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 ");

return -1;

}

if((pid=fork())==0)

{

printf(" ");

close(pipe_fd[1]);

sleep(3);//确保父进程关闭写端

r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,100);

printf( "read num is %d the data read from the pipe is %d ",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 ");

close(pipe_fd[1]);//write

printf("parent close fd[1] over ");

sleep(10);

}

}

/**************************************************

* 程序输出结果：

* parent write over

* parent close fd[1] over

* read num is 4 the data read from the pipe is 111

* 附加结论：

* 管道写端关闭后，写入的数据将一直存在，直到读出为止.

****************************************************/

向管道中写入数据：

    向管道中写入数据时，linux将不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。
    注：只有在管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIFPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略（默认动作则是应用程序终止）。

对管道的写规则的验证1：写端对读端存在的依赖性

#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 ");

return -1;

}

if((pid=fork())==0)

{

close(pipe_fd[0]);

close(pipe_fd[1]);

sleep(10);

exit();

}

else if(pid>0)

{

sleep(1); //等待子进程完成关闭读端的操作

close(pipe_fd[0]);//write

w_buf="111";

if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4))==-1)

printf("write to pipe error ");

else

printf("the bytes write to pipe is %d ", writenum);

close(pipe_fd[1]);

}

}

则输出结果为： Broken pipe,原因就是该管道以及它的所有fork()产物的读端都已经被关闭。如果在父进程中保留读端，即在写完pipe后，再关闭父进程的读端，也会正常写入pipe，读者可自己验证一下该结论。因此，在向管道写入数据时，至少应该存在某一个进程，其中管道读端没有被关闭，否则就会出现上述错误（管道断裂,进程收到了SIGPIPE信号，默认动作是进程终止）

对管道的写规则的验证2：linux不保证写管道的原子性验证

#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 ");

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 ",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 ");

else

printf("the bytes write to pipe is %d ", writenum);

writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4096);

close(pipe_fd[1]);

}

}

输出结果：

the bytes write to pipe 1000

the bytes write to pipe 1000 //注意，此行输出说明了写入的非原子性

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，此行输出说明了写入的非原子性

the bytes write to pipe 0

the bytes write to pipe 0

......

结论：

写入数目小于4096时写入是非原子的！
如果把父进程中的两次写入字节数都改为5000，则很容易得出下面结论：
写入管道的数据量大于4096字节时，缓冲区的空闲空间将被写入数据（补齐），直到写完所有数据为止，如果没有进程读数据，则一直阻塞。

1.4管道应用实例：

实例一：用于shell

管道可用于输入输出重定向，它将一个命令的输出直接定向到另一个命令的输入。比如，当在某个shell程序（Bourne shell或C shell等）键入who│wc -l后，相应shell程序将创建who以及wc两个进程和这两个进程间的管道。考虑下面的命令行：

$kill -l 运行结果见 附一。

$kill -l | grep SIGRTMIN 运行结果如下：

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

实例二：用于具有亲缘关系的进程间通信

下面例子给出了管道的具体应用，父进程通过管道发送一些命令给子进程，子进程解析命令，并根据命令作相应处理。

#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 ");

return -1;

}

if((pid=fork())==0)

//子进程：解析从管道中获取的命令，并作相应的处理

{

printf(" ");

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 now child process exit ");

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]);

}

}

//下面是子进程的命令处理函数（特定于应用）：

int handle_cmd(int cmd)

{

if((cmd<0)||(cmd>256))

//suppose child only support 256 commands

{

printf("child: invalid command ");

return -1;

}

printf("child: the cmd from parent is %d ", cmd);

return 0;

}

1.5管道的局限性

管道的主要局限性正体现在它的特点上：

    只支持单向数据流；
    只能用于具有亲缘关系的进程之间；
    没有名字；
    管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；

管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等；

Linux管道的实现机制

在Linux中，管道是一种使用非常频繁的通信机制。从本质上说，管道也是一种文件，但它又和一般的文件有所不同，管道可以克服使用文件进行通信的两个问题，具体表现为：

限制管道的大小。实际上，管道是一个固定大小的缓冲区。在Linux中，该缓冲区的大小为1页，即4K字节，使得它的大小不象文件那样不加检验地增长。使用单个固定缓冲区也会带来问题，比如在写管道时可能变满，当这种情况发生时，随后对管道的write()调用将默认地被阻塞，等待某些数据被读取，以便腾出足够的空间供write()调用写。

读取进程也可能工作得比写进程快。当所有当前进程数据已被读取时，管道变空。当这种情况发生时，一个随后的read()调用将默认地被阻塞，等待某些数据被写入，这解决了read()调用返回文件结束的问题。

注意：从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读，它就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据。

1. 管道的结构

在 Linux 中，管道的实现并没有使用专门的数据结构，而是借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。通过将两个 file 结构指向同一个临时的 VFS 索引节点，而这个 VFS 索引节点又指向一个物理页面而实现的。如图 7.1所示。

图7.1 管道结构示意图

图7.1中有两个 file 数据结构，但它们定义文件操作例程地址是不同的，其中一个是向管道中写入数据的例程地址，而另一个是从管道中读出数据的例程地址。这样，用户程序的系统调用仍然是通常的文件操作，而内核却利用这种抽象机制实现了管道这一特殊操作。

2.管道的读写

管道实现的源代码在fs/pipe.c中，在pipe.c中有很多函数，其中有两个函数比较重要，即管道读函数pipe_read()和管道写函数 pipe_wrtie()。管道写函数通过将字节复制到 VFS 索引节点指向的物理内存而写入数据，而管道读函数则通过复制物理内存中的字节而读出数据。当然，内核必须利用一定的机制同步对管道的访问，为此，内核使用了锁、等待队列和信号。

当写进程向管道中写入时，它利用标准的库函数write()，系统根据库函数传递的文件描述符，可找到该文件的 file 结构。file 结构中指定了用来进行写操作的函数（即写入函数）地址，于是，内核调用该函数完成写操作。写入函数在向内存中写入数据之前，必须首先检查 VFS 索引节点中的信息，同时满足如下条件时，才能进行实际的内存复制工作：

内存中有足够的空间可容纳所有要写入的数据；

内存没有被读程序锁定。

如果同时满足上述条件，写入函数首先锁定内存，然后从写进程的地址空间中复制数据到内存。否则，写入进程就休眠在 VFS 索引节点的等待队列中，接下来，内核将调用调度程序，而调度程序会选择其他进程运行。写入进程实际处于可中断的等待状态，当内存中有足够的空间可以容纳写入数据，或内存被解锁时，读取进程会唤醒写入进程，这时，写入进程将接收到信号。当数据写入内存之后，内存被解锁，而所有休眠在索引节点的读取进程会被唤醒。

管道的读取过程和写入过程类似。但是，进程可以在没有数据或内存被锁定时立即返回错误信息，而不是阻塞该进程，这依赖于文件或管道的打开模式。反之，进程可以休眠在索引节点的等待队列中等待写入进程写入数据。当所有的进程完成了管道操作之后，管道的索引节点被丢弃，而共享数据页也被释放。

因为管道的实现涉及很多文件的操作,因此,当读者学完有关文件系统的内容后来读pipe.c中的代码，你会觉得并不难理解。

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