进程间通信--管道

2/10/2017来源:ASP.NET技巧人气:342

   前面我们学习了一下进程,我们知道多,进程间的地址空间相对独立。进程与进程间不能像线程间通过全局变量通信。 如果想进程间通信,就需要其他机制。          常用的进程间通信方式有这几种 A.传统的进程间通信方式 无名管道(pipe)、有名管道(fifo)和信号(signal) B.System v IPC对象 共享内存(share memory)、消息队列(message queue)和信号灯(semaphore) C.BSD 套接字(socket) 一、无名管道(pipe) 1.1管道的介绍 A.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 B.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); C.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。 D.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 解释如下 : 从以上我们可以知道: 管道是基于文件描述符的通信方式。当一个管道建立时,它会创建两个文件描述符fd[0]和fd[1]。其中fd[0]固定用于读管道,而fd[1]固定用于写管道,一般文件I/O的函数都可以用来操作管道(lseek除外)。 我们来测试一下管道的大小: 案例一、 单独创建一个无名管道,并没有实际的意义。我们一般是在一个进程在由pipe()创建管道后,一般再由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无名管道的读写规则探究 A.从管道中读取数据 <1>写端不存在时,此时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; #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> int main() {     int n;     int fd[2];     int count = 0;     char buf[100] = {0};     if(pipe(fd) < 0)     {         perror("Fail to create pipe");         exit(EXIT_FAILURE);     }          close(fd[1]);          if((n = read(fd[0],buf,sizeof(buf))) < 0)     {         perror("Fail to read pipe");         exit(EXIT_FAILURE);     }     PRintf("Rread %d bytes : %s.\n",n,buf);     return 0; } 运行结果: <2>写端存在时,如果请求的字节数目大于PIPE_BUF(Ubuntu操作系统为65536),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,则放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) 案例二、父进程向管道中写数据,子进程从管道中读取数据

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#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <errno.h> #include <string.h> #define N 10 #define MAX 100 int child_read_pipe(int fd) {     char buf[N];     int n = 0;     while(1)     {         n = read(fd,buf,sizeof(buf));         buf[n] = '\0';         printf("Read %d bytes : %s.\n",n,buf);         if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)             break;     }     return 0; } int father_write_pipe(int fd) {     char buf[MAX] = {0};          while(1)     {         printf(">");         fgets(buf,sizeof(buf),stdin);         buf[strlen(buf)-1] = '\0';         write(fd,buf,strlen(buf));         usleep(500);         if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)             break;     }     return 0; } int main() {     int pid;     int fd[2];     if(pipe(fd) < 0)     {         perror("Fail to pipe");         exit(EXIT_FAILURE);     }     if((pid = fork()) < 0)     {         perror("Fail to fork");         exit(EXIT_FAILURE);     }else if(pid == 0){         close(fd[1]);         child_read_pipe(fd[0]);     }else{                  close(fd[0]);         father_write_pipe(fd[1]);     }          exit(EXIT_SUCCESS); } 运行结果: 从以上验证我们可以看到: <1>当写端存在时,管道中没有数据时,读取管道时将阻塞 <2>当读端请求读取的数据大于管道中的数据时,此时读取管道中实际大小的数据 <3>当读端请求读取的数据小于管道中的数据时,此时放回请求读取的大小数据 B.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。当管道满时,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。 注意:只有管道的读端存在时,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SIGPIPE信号,应用程序可以处理该信号,也可以忽略(默认动作则是使应用程序终止)。 #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <errno.h> #include <string.h> int main() {     int pid;     int n;     int fd[2];     char buf[1000 * 6] = {0};     if(pipe(fd) < 0)     {         perror("Fail to pipe");         exit(EXIT_FAILURE);     }     if((pid = fork()) < 0)     {         perror("Fail to fork");         exit(EXIT_FAILURE);     }else if(pid == 0){                  close(fd[1]);         sleep(5);         close(fd[0]);         printf("Read port close.\n");         sleep(3);     }else{         close(fd[0]);                  while(1)         {             n = write(fd[1],buf,sizeof(buf));             printf("Write %d bytes to pipe.\n",n);         }          }     exit(EXIT_SUCCESS); } 运行结果: 探究发现,当管道数据满时,此时再向管道写数据,写端将阻塞。当读端不存在时,写端写数据,内核将向其发送SIGPIPE信号,默认是终止进程。 案例3:父进程读取文件的内容,写到无名管道,子进程从管道中读取内容写到另一个文件。 //思考:父进程什么时候结束,子进程什么时候结束?

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#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <errno.h> #include <sys/stat.h> #include <sys/types.h> #include <fcntl.h> #define MAX 100 int child_work(int pfd,char *fname) {     int n,fd;     char buf[MAX];     if((fd = open(fname,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666)) < 0)     {         fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",fname,strerror(errno));         return -1;     }     while( n = read(pfd,buf,sizeof(buf)) )     {         write(fd,buf,n);     }          close(pfd);     return 0; } int father_work(int pfd,char *fname) {     int fd,n;     char buf[MAX];     if((fd = open(fname,O_RDONLY)) < 0)     {         fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",fname,strerror(errno));         return -1;     }     while(n = read(fd,buf,sizeof(buf)))     {         write(pfd,buf,n);     }          close(pfd);     return 0; } int main(int argc,char *argv[]) {     int pid;     int fd[2];     if(argc < 3)     {         fprintf(stderr,"usage %s argv[1] argv[2].\n",argv[0]);         exit(EXIT_FAILURE);     }     if(pipe(fd) < 0)     {         perror("Fail to pipe");         exit(EXIT_FAILURE);     }     if((pid = fork()) < 0)     {         perror("Fail to fork");         exit(EXIT_FAILURE);          }else if(pid == 0){                  close(fd[1]);         child_work(fd[0],argv[2]);          }else{              close(fd[0]);         father_work(fd[1],argv[1]);         wait(NULL);     }     exit(EXIT_SUCCESS); } 二、有名管道 1.1有名管道的介绍 无名管道,由于没有名字,只能用于亲缘关系的进程间通信.。为了克服这个缺点,提出了有名管道(FIFO)。 FIFO不同于无名管道之处在于它提供了一个路径名与之关联,以FIFO的文件形式存在于文件系统中,这样,即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程,只要可以访问该路径,就能够彼此通过FIFO相互通信,因此,通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值的注意的是,FIFO严格遵循先进先出(first in first out),对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据,对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。 注意:有名管道的名字存在于文件系统中,内容存放在内存中。 1.2有名管道的创建 该函数的第一个参数是一个普通的路劲名,也就是创建后FIFO的名字。第二个参数与打开普通文件的open()函数中的mode参数相同。如果mkfifo的一个参数是一个已经存在路劲名时,会返回EEXIST错误,所以一般典型的调用代码首先会检查是否返回该错误,如果确实返回该错误,那么只要调用打开FIFO的函数就可以了。 1.3有名管道的打开规则 有名管道比无名管道多了一个打开操作:open FIFO的打开规则: 如果当前打开操作时为读而打开FIFO时,若已经有相应进程为写而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回;否则,可能阻塞到有相应进程为写而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志);或者,成功返回(当前打开操作没有设置阻塞标志)。 如果当前打开操作时为写而打开FIFO时,如果已经有相应进程为读而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回;否则,可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志);或者,返回ENIO错误(当期打开操作没有设置阻塞标志)。 案例: A.open for  write

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#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <errno.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int main(int argc,char *argv[]) {     int fd;     if(argc < 2)     {         fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]);         exit(EXIT_FAILURE);     }          if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)     {         fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));         exit(EXIT_FAILURE);     }     if((fd = open(argv[1],O_WRONLY)) < 0)     {         fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));         exit(EXIT_FAILURE);     }     printf("open for write success.\n");          return 0; } B.open for read

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#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <errno.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int main(int argc,char *argv[]) {     int fd;     if(argc < 2)     {         fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]);         exit(EXIT_FAILURE);     }          if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)     {         fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));         exit(EXIT_FAILURE);     }     if((fd = open(argv[1],O_RDONLY)) < 0)     {         fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));         exit(EXIT_FAILURE);     }     printf("open for read success.\n");          return 0; } 探究发现,如果open时没有使用O_NONBLOCK参数,我们发现不论读端还是写端先打开,先打开者都会阻塞,一直阻塞到另一端打开。 读者自己可以探究,如果open时使用了O_NONBLOCK参数,此时打开FIFO 又会是什么情况? 1.4有名管道的读写规则 A.从FIFO中读取数据 约定:如果一个进程为了从FIFO中读取数据而以阻塞的方式打开FIFO, 则称内核为该进程的读操作设置了阻塞标志 <1>如果有进程为写而打开FIFO,且当前FIFO内没有数据,则对于设置了阻塞标志的读操作来说,将一直阻塞。对于没有设置阻塞标志读操作来说返回-1,当前errno值为EAGAIN,提醒以后再试。 <2>对于设置阻塞标志的读操作说,造成阻塞的原因有两种:当前FIFO内有数据,但有其他进程正在读这些数据;另外就是FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入,不论写入数据量的大小,也不论读操作请求多少数据量。 <3>如果没有进程写打开FIFO,则设置了阻塞标志的读操作会阻塞 <4>如果写端关闭,管道中有数据读取管道中的数据,如果管道中没有数据读端将不会继续阻塞,此时返回0。 注意:如果FIFO中有数据,则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞,此时,读操作会返回FIFO中现有的数据量。 B.向FIFO中写入数据 约定:如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的写操作设置了阻塞标志。 对于设置了阻塞标志的写操作: <1>当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,linux将保证写入的原子性。如果此时管道空闲缓冲区不足以容纳要写入的字节数,则进入睡眠,直到当缓冲区中能够容纳写入的字节数时,才开始进行一次性写操作。 <2>当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,Linux将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空闲区域,写进程就会试图向管道写入数据,写操作在写完所有请求写的数据后返回。 对于没有设置阻塞标志的写操作: <1>当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,linux将不再保证写入的原子性。在写满所有FIFO空闲缓冲区后,写操作返回。 <2>当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,linux将保证写入的原子性。如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数,写完后成功返回;如果当前FIFO空闲缓冲区不能够容纳请求写入的字节数,则返回EAGAIN错误,提醒以后再写。 注意:只有读端存在,写端才有意义。如果读端不在,写端向FIFO写数据,内核将向对应的进程发送SIGPIPE信号(默认终止进程); 案例一、 write to FIFO #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <errno.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #define MAX 655360 int main(int argc,char *argv[]) {     int n,fd;     char buf[MAX];     if(argc < 2)     {         fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]);         exit(EXIT_FAILURE);     }          if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)     {         fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));         exit(EXIT_FAILURE);     }     if((fd = open(argv[1],O_WRONLY )) < 0)     {         fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));         exit(EXIT_FAILURE);     }     printf("open for write success.\n");     while(1)     {         printf(">");         scanf("%d",&n);         n = write(fd,buf,n);         printf("write %d bytes.\n",n);     }          exit(EXIT_SUCCESS); } read from FIFO

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#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <errno.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #define MAX 655360 int main(int argc,char *argv[]) {     int fd,n;     char buf[MAX];     if(argc < 2)     {         fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]);         exit(EXIT_FAILURE);     }          if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)     {         fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));         exit(EXIT_FAILURE);     }     if((fd = open(argv[1],O_RDONLY )) < 0)     {         fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));         exit(EXIT_FAILURE);     }          printf("open for read success.\n");     while(1)     {         printf(">");         scanf("%d",&n);                  n = read(fd,buf,n);              printf("Read %d bytes.\n",n);     }     exit(EXIT_SUCCESS); } 读者可以将这两个程序运行,然后输入read和write   FIFO大小就可以看到效果。