Unix/Linux IPC进程间通信 - 有名管道、无名管道 C代码

梦里梦外; 2022-12-15 02:55 251阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *  IPC概述
         *  有名管道
         *   *  管道文件
             *  C代码
         *  无名管道
         *   *  C代码

### IPC概述 ###

Unix系统中每个进程都有自己独立的虚拟内存空间，除了每个进程的内核空间映射在相同的物理内存中，每个进程的用户空间都被映射在不同的物理内存中。所以，每个进程之间存在内存壁垒，进程之间无法直接通过交换虚拟地址来进行数据交换。那么需要实现进程之间的数据交换，就有了IPC(InterProcess Communication)机制，也就是进程间通信。

### 有名管道 ###

由于内核空间在操作系统只有一份，被所有进程所共享，所以进程间通信就可以通过内核空间进行数据交换。有名管道就是其中一种。

#### 管道文件 ####

unix中可以通过`mkfifo`命令来创建一个管道文件，fifo就是一个先进先出的队列结构。  
创建一个名为myfifo：  
`mkfifo mypipe`  
可以看到mypipe文件权限描述符`prw-rw-r--.`，第一个p就是表示管道文件类型。  
开启两个shell终端，两个终端代表两个进程，A终端通过管道文件写数据，B终端通过管道文件读数据。  
A终端执行`echo "hello" > mypipe`将数据写入到管道文件，A终端会一直阻塞并等待其他进程读取该管道文件的数据。  
B终端执行`cat mypipe`来读取A终端写入到管道文件中的数据。  
先读取一个还没有数据的管道文件，那么也会阻塞，直到能从管道文件中读取数据为止。  
管道文件的大小字节数为0。因为管道文件必须有一个读端或者写端，只有在写端或者读端同时存在，数据才会被传送交换。所以管道文件不会保存实际数据，只做数据交换。  
管道文件在系统中对应的i节点保存的并不是指向数据区，而是存放了一个内核空间分配的管道对象的指针。  
不同的进程读写相同的管道文件，其实都是通过管道文件背后的内核空间的管道对象指针进行的数据交换。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTM2MzI3NTU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

#### C代码 ####

头文件:`#include <sys/stat.h>`  
通过函数`int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);`创建一个有名管道文件。mode参数为文件的权限。该函数返回一个文件描述，不同的进程通过对该文件描述符进行write或者read来进行进程间的数据交换通信。  
通过函数`int unlink(const char *path);`来删除管道文件。

如下代码通过写端创建管道文件并写入数据，读端读取管道文件并读取数据。直到在写端输入quit来结束数据的传输并删除管道文件。

写端代码:

#include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    
    int main(void) { 
        printf("创建有名管道。\n");
        if (mkfifo("./myfifo", 0666) == -1) { 
            perror("mkfifo");
            return -1;
        }
        printf("打开管道文件\n");
        int fd = open("./myfifo", O_WRONLY);
        if (fd == -1) { 
            perror("open");
            return -1;
        }
        for (;;) { 
            char buf[1024];
            printf(">");
            fgets(buf, sizeof(buf) * sizeof(buf[0]), stdin);
            if (!strcmp(buf, "quit\n")) { 
                break;
            }
            printf("发送数据\n");
            if (write(fd, buf, sizeof(buf) * sizeof(buf[0])) == -1) { 
                perror("write");
                return -1;
            }
        }
        if (close(fd) == -1) { 
            perror("close");
            return -1;
        }
        if (unlink("./myfifo") == -1) { 
            perror("unlink");
            return -1;
        }
        return 0;
    }

读端代码：

#include <fcntl.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    
    int main(void) { 
        printf("打开管道文件\n");
        int fd = open("./myfifo", O_RDONLY);
        if (fd == -1) { 
            perror("open");
            return -1;
        }
    
        for (;;) { 
            char buf[1024];
            printf("接收数据\n");
            ssize_t bytes = read(fd, buf, sizeof(buf) * sizeof(buf[0]));
            if (bytes == -1) { 
                perror("read");
                return -1;
            }
            if (!bytes) {  //当管道文件无数据可读或管道被unlike，read返回0
                break;
            }
            printf("< %s", buf);
        }
        if (close(fd) == -1) { 
            perror("close");
            return -1;
        }
        return 0;
    }

注意，如果只有写端没有读端，那么写端在open文件的时候会阻塞，直到有读端open了管道文件，写端的open才会执行返回。

### 无名管道 ###

无名管道与有名管道的区别在于无名管道没有具体的文件，而有名管道在文件系统中有对应的文件。  
无名管道的方式，是在内核空间中创建了两个文件描述符，一个对应读，一个对应写，两个文件描述符对应的文件表项中指向的V节点存放的是管道对象的指针。由于父子进程对文件描述符的继承特性，子进程会继承父进程的文件描述符，也就意味着父进程中创建的无名管道文件描述符会被子进程继承下来，然后父进程和子进程拥有相同的文件描述符，相同的文件描述符背后指向的同一个管道对象，父子进程就可以通过文件描述符来进行数据交换了。  
父子进程无名管道采用单工方式进行通信，只能一个写另外一个读。如果要实现双工，那么就创建两个无名管道来实现双工通信。  
当无名管道相关联的所有文件描述符被关闭，那么无名管道对象会从内核中释放掉。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTM2MzI3NTU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
注意，无名管道不单可以在父子进程中，也可用于不同的程序中。要实现A程序通过无名管道与B程序进行通信，那么可以在A程序中采用fork+exec模式启动B程序，同样可以把文件描述符复制到B程序中，这样就可以使用管道文件描述符进行通信了。

#### C代码 ####

头文件:`#include <sys/stat.h>`  
`int pipe(int pipefd[2]);`  
pipefd为pipe函数分配的两个文件描述符。  
pipefd\[0\]：读文件描述符  
pipefd\[1\]：写文件描述符

如下代码为父进程作为写端通过无名管道写，子进程作为读端通过无名管道读。

#include <fcntl.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    
    int main(void) { 
        printf("创建无名管道。\n");
        int pipefd[2];
        if (pipe(pipefd) == -1) { 
            perror("pipe");
            return -1;
        }
        pid_t pid = fork();
        if (pid == -1) { 
            perror("fork");
            return -1;
        }
        if (pid == 0) { 
            close(pipefd[1]);//子进程关闭写端
            for (;;) { 
                char buf[1024] = { };
                ssize_t bytes = read(pipefd[0], buf, sizeof(buf) - sizeof(buf[0]));
                if (bytes == -1) { 
                    perror("read");
                    return -1;
                }
                if (!bytes) { 
                    break;
                }
                printf("%s", buf);
            }
            close(pipefd[0]);//关闭读端
            return 0;
        }
        close(pipefd[0]);//关闭父进程读端
        for (;;) { 
            char buf[1024];
            fgets(buf, sizeof(buf) * sizeof(buf[0]), stdin);
            if (!strcmp(buf, "quit\n")) { 
                break;
            }
            if (write(pipefd[1], buf, sizeof(buf) * sizeof(buf[0])) == -1) { 
                perror("write");
                return -1;
            }
        }
        if (close(pipefd[1]) == -1) { 
            perror("close");
            return -1;
        }
        return 0;
    }

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTM2MzI3NTU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221123/978b336bb18b433bad29652b77566cf9.png
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