linux 进程通讯之 管道和FIFO

时间  2019-12-13
标签 linux 进程 通讯 管道 fifo 栏目 Linux 繁體版
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进程间通讯：IPC概念html

IPC：Interprocess Communication，经过内核提供的缓冲区进行数据交换的机制。c++

IPC通讯的方式：shell

通讯种类：bash

  • 单工（广播）
  • 单双工（对讲机）
  • 全双工（电话）

一，管道PIPE

pipe通讯是单双工的。微信

pipe通讯，只能在有血缘关系的进程间通讯。父子进程，兄弟进程，爷孙进程等。

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
  • pipefd：【0】是读端，【1】是写端。
  • 返回值：成功返回0；失败返回-1。

例子：socket

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>

int main(){
  int fds[2];
  pipe(fds);
  pid_t pid = fork();

  if(pid == 0){
    write(fds[1], "hello\n", 6);
    char buf[10] = {0};
    int ret = read(fds[0], buf, sizeof buf);
    if(ret > 0){
      printf("%s", buf);
    }
  }
  if(pid > 0){
    char buf[10] = {0};
    int ret = read(fds[0], buf, sizeof buf);
    if(ret > 0){
      printf("%s", buf);
    }
    write(fds[1], "world\n", 6);
    sleep(1);
  }
}

例子1：子进程写，父进程读。函数

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>

int main(){
  int fds[2];
  pipe(fds);
  pid_t pid = fork();

  if(pid == 0){
    write(fds[1], "hello\n", 6);
    /*
    char buf[10] = {0};
    int ret = read(fds[0], buf, sizeof buf);
    if(ret > 0){
      printf("%s", buf);
    }
    */
  }
  if(pid > 0){
    char buf[10] = {0};
    int ret = read(fds[0], buf, sizeof buf);
    if(ret > 0){
      printf("%s", buf);
    }
    //write(fds[1], "world\n", 6);
    //sleep(1);
  }
}

例子2：用管道实现【ps aux | grep bash】命令。学习

实现办法，用dup2函数把标准输出，重定向到写端；再把标准输入重定向到读端。code

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>

int main(){
  int fds[2];
  pipe(fds);
  pid_t pid = fork();
  int stdoutfd = dup(STDOUT_FILENO);
  if(pid == 0){
    //close(fds[0]);//------------①
    dup2(fds[1], STDOUT_FILENO);
    execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
  }
  if(pid > 0){
    //close(fds[1]);//----------②
    dup2(fds[0], STDIN_FILENO);
    execlp("grep", "grep", "bash", NULL);
    dup2(stdoutfd, STDOUT_FILENO);
  }
}

运行结果：发现程序没有结束，阻塞住了，必须按ctol-c才能结束。htm

ys@ys:~/test$ ./pi2 
ys        1551  0.0  0.2  29692  5548 pts/0    Ss   10:05   0:00 bash
ys        2316  0.0  0.2  29560  5328 pts/1    Ss+  11:33   0:00 bash
ys        2486  0.0  0.0  21536  1060 pts/0    S+   11:56   0:00 grep bash

用【ps aux】调查一下，发现，因为父进程【grep bash】没有结束尚未回收子进程，致使【ps】变成了僵尸进程。

ys        2437  0.0  0.0  21536  1088 pts/0    S+   11:50   0:00 grep bash
ys        2438  0.1  0.0      0     0 pts/0    Z+   11:50   0:00 [ps] <defunct>
ys        2439  0.0  0.1  44472  3800 pts/1    R+   11:50   0:00 ps aux

为何父进程【grep bash】没有结束呢？确实在子进程里给父进程【ps aux】的输出结果了啊！

这是grep命令自己的缘故，在终端执行【grep bash】的话，就变成了阻塞状态，grep在等待标准输入，若是输入了【bash】grep就会给出结果，可是仍是在继续等待标准输入，因此这就是父进程没有结束，阻塞在【grep bash】那里的缘由。

解决办法：告诉【grep】，管道的写端不会再写入数据了后，grep就不会再继续等待，因此grep就会结束。grep的结束了，父进程也就结束了，因此僵尸进程也就自动消失了。

须要改代码的地方是②处，加上【close(fds[1]);】，就告诉了grep，已经没有写入了，因此grep就不会阻塞，父进程就可以结束掉。

注意：其实应该在子进程里也应该加上【close(fds[1]);】，才能达到写端所有关闭了，为何没写也没错误呢，由于子进程先执行结束了，进程结束后，系统会自动把进程中打开的文件描述符所有关闭，因此没在子进程里写关闭写端的代码，也没出问题。

管道有以下的规则：

  • 读管道时：
    • 写端所有关闭：read函数返回0，至关于没有再能读取到的了。
    • 写端未所有关闭：
      • 管道里有数据：read函数可以读到数据。
      • 管道里没有数据：read 阻塞。（能够用fcnlt设置成非阻塞）
  • 写管道时：
    • 读端所有关闭：write函数会产生SIGPIPE信号，程序异常结束。
    • 读端未所有关闭：
      • 管道已满：write函数阻塞等待。
      • 管道未满：write函数正常写入。

例子1：写端所有关闭：read函数返回0。

在①和②两处必须都关闭写端，read函数才能返回0.

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>

int main(){
  int fds[2];
  pipe(fds);
  pid_t pid = fork();

  if(pid == 0){
    char buf[10] = {0};
    int ret = read(fds[0], buf, sizeof buf);
    if(ret > 0){
      printf("%s", buf);
    }
    close(fds[1]);//----①
    sleep(1);
    if(read(fds[0],buf, sizeof buf) == 0){
      printf("all closed\n");
    }

  }
  if(pid > 0){
    int ret = write(fds[1], "hello\n", 6);
    close(fds[1]);//------②
    wait(NULL);    
  }
}

例子2：读端所有关闭：write函数会产生SIGPIPE信号，程序异常结束。

在①和②两处必须都关闭读端，write函数会产生SIGPIPE信号。

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>

int main(){
  int fds[2];
  pipe(fds);
  pid_t pid = fork();

  if(pid == 0){
    close(fds[0]);//------②
    int ret = write(fds[1], "hello\n", 6); 
  }
  if(pid > 0){
    close(fds[0]);//----①
    //close(fds[1]);
    int status;
    wait(&status);
    if(WIFSIGNALED(status)){
      printf("killed by %d\n", WTERMSIG(status));
    }
  }
}

执行结果：【killed by 13】。13是SIGPIPE

查看系统默认的管道缓冲区的大小：ulimit -a

pipe size            (512 bytes, -p) 8

查看系统默认的管道缓冲区的大小的函数：fpathconf

#include <unistd.h>
long fpathconf(int fd, int name);
  • fd：文件描述符
  • name：能够选择不少宏
    • _PC_PIPE_BUF：表明管道。

例子：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main(){
  int fds[2];
  pipe(fds);
  long ret = fpathconf(fds[0], _PC_PIPE_BUF);
  printf("size:%ld\n", ret);
}

执行结果：size:4096

上面的【例子：用管道实现【ps aux | grep bash】命令】有个问题，父进程直接调用了exec函数，致使没法在父进程中回收子进程的资源。下面的例子就去解决这个问题，方法是，不在父进程里调用exec函数，在2个兄弟子进程里分别调用exec函数，而后在父进程里回收资源。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main(){
  int fds[2];
  pipe(fds);
  pid_t pid = fork();
  if(pid == 0){
    pid_t pid1 = fork();
    if(pid1 == 0){
      dup2(fds[1], STDOUT_FILENO);
      execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
      
    }
    else if(pid1 > 0){
      close(fds[1]);//----①
      dup2(fds[0], STDIN_FILENO);
      execlp("grep", "grep", "bash", NULL);
      //dup2(stdoutfd, STDOUT_FILENO);
    }
  }
  else if(pid > 0){
    close(fds[1]);//----②
    wait(NULL);
  }
}

注意在①和②处的关闭代码。

到此为止，能够看出来管道的

  • 优势：使用起来简单。
  • 缺点：只能在有血缘关系的进程间使用。

二，FIFO通讯

建立FIFO伪文件的命令：【mkfifo】

prw-r--r-- 1 ys ys     0 4月  29 15:59 myfifo

文件类型为P，大小为0。

也能够用函数：mkfifo建立

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
  • pathname：文件名
  • mode：文件权限
  • 返回值：0成功；-1失败

FIFO通讯原理：内核对fifo文件开辟一个缓冲区，操做fifo伪文件，就至关于操做缓冲区，实现里进程间的通讯。实际上就是文件读写。

FIFO例子：传进一个事先用mkfifo 建立好的FIFO文件。能够同时打开多个读端和写端。

  • 写端：

    #include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[]){

  printf("begin write\n");
  int fd = open(argv[1], O_WRONLY);
  printf("end write\n");

  int num = 0;
  char buf[20] = {0};
  while(1){
    sprintf(buf, "num=%04d\n", num++);
    write(fd, buf, strlen(buf));
    sleep(1);
  }

  close(fd);
}

  • 读端：

    #include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char* argv[]){

  printf("begin read\n");
  int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
  printf("end read\n");

  int num = 0;
  char buf[20] = {0};
  while(1){
    memset(buf, 0x00, sizeof buf);
    int ret = read(fd, buf, sizeof buf);
    if(ret > 0){
      printf("%s\n", buf);
    }
    else if(ret == 0){
      break;
    }
    sleep(1);
  }

  close(fd);
}

例子里有两个注意点：

  • open的时候是阻塞的，只有当读端和写端都打开后，open函数才会返回。非FIFO文件的open函数不是阻塞的。

    FIFOs
       Opening  the  read or write end of a FIFO blocks until the other end is
       also opened (by another process or thread).  See  fifo(7)  for  further
       details.
  • 强制终止读端进程后，写端会自动终止。理由是读端已经关闭了，再往里写就会收到SIGFIFO信号，这个和管道的原理是同样的。

  • 很是重要的一点：从fifo里读出数据后，这个被读出来的数据在fifo里就消失了。后面讲的mmap进程间通讯就不同，读完了，再读还有，由于是映射到内存了。

A进程发送一个mp3文件，B进程接收这个mp3文件，并存储到磁盘上，代码以下：
发送端：先取得mp3文件的大小，把文件的大小先发给接收端，而后在把文件的内容发过去。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char* argv[]){
  struct stat sbuf;
  int ret = stat("02.mp3", &sbuf);
  if(ret < 0){
    perror("stat");
    return -1;
  }
  //get file size
  int sz = sbuf.st_size;
  printf("size:%d\n", sz);
  char buf[20] = {0};
  sprintf(buf, "%d", sz);
  //open fifo file
  int fd = open(argv[1], O_RDWR);
  //send file size
  write(fd, buf, sizeof(buf));

  //open src mp3 file
  int src = open("02.mp3", O_RDONLY);
  char srcBuf[1024] = {0};
  //send file content to dec file
  int sent = 0;
  while((sent = read(src, srcBuf, sizeof(srcBuf))) > 0){
    write(fd, srcBuf, sent);
    memset(srcBuf, 0x00, sizeof(srcBuf));
  }
  close(fd);
  close(src);
}

接收端：先从发送端取得要发过来的MP3文件的大小，而后根据这个大小，先建立一个空的文件，而后再向这个空的文件里写内容。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char* argv[]){
  //open fifo file
  int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
  //send file size
  char buf[20] = {0};
  //get file size
  read(fd, buf, sizeof(buf));
  int sz = atoi(buf);
  printf("sz:%d\n", sz);

  int dsc = open("des.mp3", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0666);
  int ret = ftruncate(dsc, sz);
  if(ret < 0){
    perror("ftruncate");
    return -1;
  }

  char srcBuf[1024] = {0};
  //recv file content from src file
  int sent = 0;
  while((sent = read(fd, srcBuf, sizeof(srcBuf))) > 0){
    write(dsc, srcBuf, sent);
    memset(srcBuf, 0x00, sizeof(srcBuf));
  }

  close(fd);
  close(dsc);
}

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