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IPC——管道

概述

管道通信分为无名管道、有名管道

管道通信的本质

不管是有名管道,还是无名管道,它们的本质其实都是一样的,它们都是内核所开辟的一段缓存空间。进程间通过管道通信时,本质上就是通过共享操作这段缓存来实现,只不过操作这段缓存的方式,是以读写文件的形式来操作的。

 

无名管道

如何操作无名管道

以读写文件的方式操作无名管道

1)有读写用的文件描述符(API部分讲)
2)读写时会用write、read等文件IO函数。

为什么叫无名管道

既然可以通过“文件描述符”来操作管道,那么它就是一个文件(管道文件),但是无名管道文件比较特殊,它没有文件名,正是因为没有文件名,所有被称为无名管道。

看下open的原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);

返回值是文件描述符,或者-1(此时errno被设置)

无名管道的例子说明获取文件描述符未必非得使用open函数

注意⚠️:

man手册查询pipe函数的时候,形参可能是int *pipefd。但是这种写法不太直观,所以一般写成int pipe(int pipefd[2])。那么问题来了,int[2]类型和int*类型一样吗?

这要分情况,对于函数参数,他俩没区别

其他情况是有区别的,举个数组指针的例子。

int ar[10]={0}               

int (*p)[10]=&ar           √

int **p=&ar                  ✘

最后一句话是错的,原因就是int*和int[10]类型是不一样的。

无名管道特点

无名管道只能用于亲缘进程之间通信。

由于没有文件名,因此进程没办法使用open打开管道文件,从而得到文件描述符,所以只有一种办法,那就是父进程先调用pipe创建出管道,并得到读写管道的文件描述符。然后再fork出子进程,让子进程通过继承父进程打开的文件描述符,父子进程就能操作同一个管道,从而实现通信。

API

PIPE原型

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]); 

功能

创建一个用于亲缘进程(父子进程)之间通信的无名管道(缓存),并将管道与两个读写文件描述符关联起来。无名管道只能用于亲缘进程之间通信。

参数

缓存地址,缓存用于存放读写管道的文件描述符。从这个参数的样子可以看出,这个缓存就是一个拥有两个元素的int型数组。

1)元素[0]:里面放的是读管道的读文件描述符
2)元素[1]:里面放的是写管道的写文件描述符。

特别需要注意的是,这里的读和写文件描述符,是两个不同的文件描述符。

从这里大家也可以看出,并不是所有的文件描述符,都是通过open函数打开文件得到的。这里无名管道的读、写文件描述符,就是直接在创建管道时得到的,与open没有任何关系。而且这里也根本没办法使用open函数,因为open函数需要文件路径名,无名管道连文件名都没有,所以说根本就没办法使用open来打开文件,返回文件描述符。

返回值

成功返回0,失败则返回-1,并且errno被设置。

父子进程 借助无名管道 单向通信

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <strings.h>
 5 #include <signal.h>
 6 
 7 void print_err(char *estr)
 8 {
 9     perror(estr);
10     exit(-1);
11 }
12 
13 int main(void)
14 {
15     int ret = 0;
16     int pipefd[2] = {0};//用于存放管道的读写文件描述符
17     
18     ret = pipe(pipefd);
19     if(ret == -1) print_err("pipe fail");
20 
21     ret = fork();
22     if(ret > 0)
23     {    
24         close(pipefd[0]);    
25         while(1)
26         {
27             write(pipefd[1], "hello", 5);                
28             sleep(1);
29         }
30     }
31     else if(ret == 0)
32     {
33         close(pipefd[1]);
34         while(1)
35         {
36             char buf[30] = {0};
37             bzero(buf, sizeof(buf));
38             read(pipefd[0], buf, sizeof(buf));
39             printf("child, recv data:%s\n", buf);
40         }    
41     }
42 
43     return 0;
44 }

父子进程 借助无名管道 双向通信

双向通信使用一个管道行不行?

不行,由于继承关系,父子进程都有读文件描述符,父进程发给子进程的消息,子进程不一定能收到,因为可能被父进程抢读了。

解决办法

使用2个管道,每个管道负责一个方向的通信

父进程创建2个管道,有4个文件描述符。子进程继承父进程的文件描述符,父子进程加起来有8个文件描述符。

实现代码

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <strings.h>
 5 #include <signal.h>
 6 
 7 void print_err(char *estr)
 8 {
 9     perror(estr);
10     exit(-1);
11 }
12 
13 int main(void)
14 {
15     int ret = 0;
16     //[0]:读文件描述符
17     //[1]:写文件描述符
18     int pipefd1[2] = {0};//用于存放管道的读写文件描述符
19     int pipefd2[2] = {0};//用于存放管道的读写文件描述符
20     
21     ret = pipe(pipefd1);
22     if(ret == -1) print_err("pipe fail");
23     ret = pipe(pipefd2);
24     if(ret == -1) print_err("pipe fail");
25 
26     ret = fork();
27     if(ret > 0)
28     {    
29         close(pipefd1[0]);
30         close(pipefd2[1]);
31         char buf[30] = {0};
32         while(1)
33         {
34             write(pipefd1[1], "hello", 5);                
35             sleep(1);
36 
37             bzero(buf, sizeof(buf));
38             read(pipefd2[0], buf, sizeof(buf));
39             printf("parent, recv data:%s\n", buf);
40         }
41     }
42     else if(ret == 0)
43     {
44         close(pipefd1[1]);
45         close(pipefd2[0]);
46         char buf[30] = {0};
47         while(1)
48         {
49             sleep(1);    
50             write(pipefd2[1], "world", 5);
51 
52             bzero(buf, sizeof(buf));
53             read(pipefd1[0], buf, sizeof(buf));
54             printf("child, recv data:%s\n", buf);
55         }    
56     }
57 
58     return 0;
59 }

代码里,父子进程中write都写在了read前面。write是非阻塞函数,父子进程中只需要保证至少一个write在前就不会使父子进程阻塞。  如果父子进程read都在write前,则父子进程都会因read而阻塞

 

有名管道

无名管道因为没有文件名,被称为了无名管道,同样的道理,有名管道之所以叫“有名管道”,是因为它有文件名。也就是说当我们调用相应的API创建好“有名管道”后,会在相应的路径下面看到一个叫某某名字的“有名管道文件”。

有名管道特点

①能够用于非亲缘进程之间的通信

因为有文件名,所以进程可以直接调用open函数打开文件,从而得到文件描述符,不需要像无名管道一样,必须在通过继承的方式才能获取到文件描述符。所以任何两个进程之间,如果想要通过“有名管道”来通信的话,不管它们是亲缘的还是非亲缘的,只要调用open函数打开同一个“有名管道”文件,然后对同一个“有名管道文件”进行读写操作,即可实现通信。

②读管道时,如果管道没有数据的话,读操作同样会阻塞(休眠)

③当进程写一个所有读端都被关闭了的管道时,进程会被内核返回SIGPIPE信号

 

有名管道使用步骤

①进程调用mkfifo创建有名管道
②open打开有名管道
③read/write读写管道进行通信

对于通信的两个进程来说,创建管道时,只需要一个人创建,另一个直接使用即可。为了保证管道一定被创建,最好是两个进程都包含创建管道的代码,谁先运行就谁先创建,后运行的发现管道已经创建好了,那就直接open打开使用。

 

API

mkfifo原型 

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>        
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 

功能

创建有名管道文件,创建好后便可使用open打开。

如果是创建普通文件的话,我们可以使用open的O_CREAT选项来创建,比如:open("./file", O_RDWR|O_CREAT, 0664);

但是对于“有名管道”这种特殊文件,这里只能使用mkfifo函数来创建。

参数

1)pathname:被创建管道文件的文件路径名。

2)mode:指定被创建时原始权限,一般为0664(110110100),必须包含读写权限。

参考:umask、setuid、setgid、sticky bit、chmod、chown 中umask

   Linux——文件 中umask

 返回值

成功返回0,失败则返回-1,并且errno被设置。

 

 有名管道单项通信

单独启动2个进程通信

p1.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>


#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"

void print_err(char *estr)
{    
    perror(estr);
    exit(-1);
}    

int creat_open_fifo(char *fifoname, int open_mode)
{    
    int ret = -1;
    int fd = -1;    
    
    ret = mkfifo(fifoname, 0664);
    //如果mkfifo函数出错了,但是这个错误是EEXIST,不报这个错误(忽略错误)
    if(ret == -1 && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fail");    
    
    fd = open(fifoname, open_mode);
    if(fd == -1) print_err("open fail");

    return fd;
}

void signal_fun(int signo)
{
    //unlink();
    remove(FIFONAME1);
    exit(-1);
}
    
int main(void)
{
    char buf[100] = {0};
    int ret = -1;
    int fd1 = -1;
    signal(SIGINT, signal_fun);
    fd1 = creat_open_fifo(FIFONAME1, O_WRONLY);
    while(1)
    {
        bzero(buf, sizeof(buf));
    scanf("%s", buf);
    write(fd1, buf, sizeof(buf));    
    }
    return 0;
}
View Code

p2.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>


#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"

void print_err(char *estr)
{
        perror(estr);
        exit(-1);
}

int creat_open_fifo(char *fifoname, int open_mode)
{
        int ret = -1;
        int fd = -1;

        ret = mkfifo(fifoname, 0664);
        //如果mkfifo函数出错了,但是这个错误是EEXIST,不报这个错误(忽略错误)
        if(ret == -1 && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fail");

        fd = open(fifoname, open_mode);
        if(fd == -1) print_err("open fail");

        return fd;
}

void signal_fun(int signo)
{
        //unlink();
        remove(FIFONAME1);
        exit(-1);
}

int main(void)
{
    char buf[100] = {0};
    int ret = -1;
    int fd1 = -1;
    signal(SIGINT, signal_fun);
    fd1 = creat_open_fifo(FIFONAME1, O_RDONLY);
    while(1)
    {
        bzero(buf, sizeof(buf));
    read(fd1,buf,sizeof(buf));
        printf("%s\n", buf);
    }
    return 0;
}
View Code

这里需要注意一点把signal注册信号处理函数放到creat_open_fifo函数之前的原因是:先让系统知道怎么处理Ctrl+C硬件中断。要不然creat_open_fifo在前的话,阻塞在mkfifo上,系统还不知道怎么处理Ctrl+C这个硬件中断信号。也就没法删除有名管道文件。这里其实OS应该是处理了,OS的处理就是默认处理方式。即干死当前进程,但是没有删除管道文件。

如果creat_open_fifo在signal之前,会出现进程被干死了,但是有名管道文件没有被删除的情况。

参考:Linux有名管道的 阻塞VS非阻塞 读写

有名管道双向通信

使用一个有名管道是无法实现双向通信的,道理同无名管道,即存在抢读问题。

单独启动2个进程

p1.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>


#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"

void print_err(char *estr)
{    
    perror(estr);
    exit(-1);
}    

int creat_open_fifo(char *fifoname, int open_mode)
{    
    int ret = -1;
    int fd = -1;    
    
    ret = mkfifo(fifoname, 0664);
    //如果mkfifo函数出错了,但是这个错误是EEXIST,不报这个错误(忽略错误)
    if(ret == -1 && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fail");    
    
    fd = open(fifoname, open_mode);
    if(fd == -1) print_err("open fail");

    return fd;
}

void signal_fun(int signo)
{
    //unlink();
    remove(FIFONAME1);
    remove(FIFONAME2);
    exit(-1);
}

int main(void)
{
    char buf[100] = {0};
    int ret = -1;
    int fd1 = -1;
    int fd2 = -1;


    fd1 = creat_open_fifo(FIFONAME1, O_WRONLY);
    fd2 = creat_open_fifo(FIFONAME2, O_RDONLY);
    
    while(1)
    {
        bzero(buf, sizeof(buf));
        scanf("%s", buf);
        write(fd1, buf, sizeof(buf));    
        
        read(fd2, buf, sizeof(buf));
    }
    return 0;
}
View Code

p2.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>


#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"

void print_err(char *estr)
{    
    perror(estr);
    exit(-1);
}    

int creat_open_fifo(char *fifoname, int open_mode)
{    
    int ret = -1;
    int fd = -1;    
    
    ret = mkfifo(fifoname, 0664);
    //如果mkfifo函数出错了,但是这个错误是EEXIST,不报这个错误(忽略错误)
    if(ret == -1 && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fail");    
    
    fd = open(fifoname, open_mode);
    if(fd == -1) print_err("open fail");

    return fd;
}

void signal_fun(int signo)
{
    //unlink();
    remove(FIFONAME1);
    remove(FIFONAME2);
    exit(-1);
}

int main(void)
{
    char buf[100] = {0};
    int ret = -1;
    int fd1 = -1;
    int fd2 = -1;


    fd1 = creat_open_fifo(FIFONAME1, O_RDONLY);
    fd2 = creat_open_fifo(FIFONAME2, O_WRONLY);
    
    while(1)
    {
        bzero(buf, sizeof(buf));
        scanf("%s", buf);
        read(fd1, buf, sizeof(buf));
        printf("recv:%s\n", buf);
        write(fd2, buf, sizeof(buf));    
    }
    return 0;
}
View Code

 这2个代码体验及其糟糕,p2;里面read在write之前,read会阻塞p2。这也是没办法避免的,read和write放一块就会出问题。解决之道

代码

p1.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>


#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"

void print_err(char *estr)
{    
    perror(estr);
    exit(-1);
}    

int creat_open_fifo(char *fifoname, int open_mode)
{    
    int ret = -1;
    int fd = -1;    
    
    ret = mkfifo(fifoname, 0664);
    //如果mkfifo函数出错了,但是这个错误是EEXIST,不报这个错误(忽略错误)
    if(ret == -1 && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fail");    
    
    fd = open(fifoname, open_mode);
    if(fd == -1) print_err("open fail");

    return fd;
}

void signal_fun(int signo)
{
    //unlink();
    remove(FIFONAME1);
    remove(FIFONAME2);
    exit(-1);
}
        
int main(void)
{
    char buf[100] = {0};
    int ret = -1;
    int fd1 = -1;
    int fd2 = -1;


    fd1 = creat_open_fifo(FIFONAME1, O_WRONLY);
    fd2 = creat_open_fifo(FIFONAME2, O_RDONLY);

    ret = fork();
    if(ret > 0)
    {
        signal(SIGINT, signal_fun);
        while(1)
        {
            bzero(buf, sizeof(buf));
            scanf("%s", buf);
            write(fd1, buf, sizeof(buf));    
        }
    }
    else if(ret == 0)
    {
        while(1)
        {
            bzero(buf, sizeof(buf));
            read(fd2, buf, sizeof(buf));
            printf("%s\n", buf);
        }
    }

    return 0;
}    
    



    
    
    
View Code

p2.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>


#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"

void print_err(char *estr)
{    
    perror(estr);
    exit(-1);
}    

int creat_open_fifo(char *fifoname, int open_mode)
{    
    int ret = -1;
    int fd = -1;    
    
    ret = mkfifo(fifoname, 0664);
    //如果mkfifo函数出错了,但是这个错误是EEXIST,不报这个错误(忽略错误)
    if(ret == -1 && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fail");    
    
    fd = open(fifoname, open_mode);
    if(fd == -1) print_err("open fail");

    return fd;
}

void signal_fun(int signo)
{
    //unlink();
    remove(FIFONAME1);
    remove(FIFONAME2);
    exit(-1);
}
        
int main(void)
{
    char buf[100] = {0};
    int ret = -1;
    int fd1 = -1;
    int fd2 = -1;


    fd1 = creat_open_fifo(FIFONAME1, O_RDONLY);
    fd2 = creat_open_fifo(FIFONAME2, O_WRONLY);


    ret = fork();
    if(ret > 0)
    {
        signal(SIGINT, signal_fun);
        while(1)
        {
            bzero(buf, sizeof(buf));
            read(fd1, buf, sizeof(buf));
            printf("recv:%s\n", buf);
        }
    }
    else if(ret == 0)
    {
        while(1)
        {    
            bzero(buf, sizeof(buf));
            scanf("%s", buf);
            write(fd2, buf, sizeof(buf));
            
        }
    }

    return 0;
}    
    



    
    
    
View Code

注意:父子进程的buf是不一样的,这得益于子进程继承父进程。

处理Ctrl+C硬件中断,只有父进程做了扫尾工作(即删除管道文件),然后父进程正常终止(调用exit(-1))。子进程采用默认处理方式,即被OS直接干死。

 

 

 网状通信

每一个节点想象成一个进程

不管是无名管道、还是有名管道,实现网状通信都很困难

 

posted @ 2018-07-30 10:27  克拉默与矩阵  阅读(796)  评论(0编辑  收藏  举报