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\n");
return -1;
}
if((pid=fork())==0)
{
printf("\n");
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\n",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\n");
close(pipe_fd[1]);//write
printf("parent close fd[1] over\n");
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\n");
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\n");
else
printf("the bytes write to pipe is %d \n", 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
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
$kill -l | grep SIGRTMIN
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;
int writenum;
int cmd;
memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
if(pipe(pipe_fd)<0)
{
printf("pipe create error\n");
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\n");
else
printf("the bytes write to pipe is %d \n", writenum);
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
......
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下的进程通信手段基本上是从Unix平台上的进程通信手段继承而来的。而对Unix发展做出重大贡献的两大主力AT&T的贝尔实验室及BSD（加州大学伯克利分校的伯克利软件发布中心）在进程间通信方面的侧重点有所不同。前者对Unix早期的进程间通信手段进行了系统的改进和扩充，形成了“system V IPC”，通信进程局限在单个计算机内；后者则跳过了该限制，形成了基于套接口（socket）的进程间通信机制。Linux则把两者继承了下来，如图示：
其中，最初Unix IPC包括：管道、FIFO、信号；System V IPC包括：System V消息队列、System V信号灯、System V共享内存区；Posix IPC包括： Posix消息队列、Posix信号灯、Posix共享内存区。有两点需要简单说明一下：1）由于Unix版本的多样性，电子电气工程协会（IEEE）开发了一个独立的Unix标准，这个新的ANSI Unix标准被称为计算机环境的可移植性操作系统界面（PSOIX）。现有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX标准的，而Linux从一开始就遵循POSIX标准；2）BSD并不是没有涉足单机内的进程间通信（socket本身就可以用于单机内的进程间通信）。事实上，很多Unix版本的单机IPC留有BSD的痕迹，如4.4BSD支持的匿名内存映射、4.3+BSD对可靠信号语义的实现等等。
图一给出了linux 所支持的各种IPC手段，在本文接下来的讨论中，为了避免概念上的混淆，在尽可能少提及Unix的各个版本的情况下，所有问题的讨论最终都会归结到Linux环境下的进程间通信上来。并且，对于Linux所支持通信手段的不同实现版本（如对于共享内存来说，有Posix共享内存区以及System V共享内存区两个实现版本），将主要介绍Posix API。
linux下进程间通信的几种主要手段简介：
- 管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；
- 信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数）；
- 报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
- 共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
- 信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
- 套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。
下面将对上述通信机制做具体阐述。
一般来说，linux下的进程包含以下几个关键要素：
- 有一段可执行程序；
- 有专用的系统堆栈空间；
- 内核中有它的控制块（进程控制块），描述进程所占用的资源，这样，进程才能接受内核的调度；
- 具有独立的存储空间
进程和线程有时候并不完全区分，而往往根据上下文理解其含义