Linux通過匿名管道進行進程間通信

2024-09-05 23:04:34

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供稿：網(wǎng)友

本文研究的主要是Linux通過匿名管道進行進程間通信的相關內(nèi)容，具體介紹如下。

在前面，介紹了一種進程間的通信方式：使用信號，我們創(chuàng)建通知事件，并通過它引起響應，但傳遞的信息只是一個信號值。這里將介紹另一種進程間通信的方式——匿名管道，通過它進程間可以交換更多有用的數(shù)據(jù)。

一、什么是管道

如果你使用過Linux的命令，那么對于管道這個名詞你一定不會感覺到陌生，因為我們通常通過符號“|"來使用管道，但是管理的真正定義是什么呢？管道是一個進程連接數(shù)據(jù)流到另一個進程的通道，它通常是用作把一個進程的輸出通過管道連接到另一個進程的輸入。

舉個例子，在shell中輸入命令：ls -l | grep string，我們知道ls命令（其實也是一個進程）會把當前目錄中的文件都列出來，但是它不會直接輸出，而是把本來要輸出到屏幕上的數(shù)據(jù)通過管道輸出到grep這個進程中，作為grep這個進程的輸入，然后這個進程對輸入的信息進行篩選，把存在string的信息的字符串（以行為單位）打印在屏幕上。

二、使用popen函數(shù)

1、popen函數(shù)和pclose函數(shù)介紹

有靜就有動，有開就有關，與此相同，與popen函數(shù)相對應的函數(shù)是pclose函數(shù)，它們的原型如下：

#include <stdio.h> FILE* popen (const char *command, const char *open_mode); int pclose(FILE *stream_to_close);

poen函數(shù)允許一個程序?qū)⒘硪粋€程序作為新進程來啟動，并可以傳遞數(shù)據(jù)給它或者通過它接收數(shù)據(jù)。command是要運行的程序名和相應的參數(shù)。open_mode只能是"r（只讀）"和"w（只寫）"的其中之一。注意，popen函數(shù)的返回值是一個FILE類型的指針，而Linux把一切都視為文件，也就是說我們可以使用stdio I/O庫中的文件處理函數(shù)來對其進行操作。

如果open_mode是"r"，主調(diào)用程序就可以使用被調(diào)用程序的輸出，通過函數(shù)返回的FILE指針，就可以能過stdio函數(shù)（如fread）來讀取程序的輸出；如果open_mode是"w"，主調(diào)用程序就可以向被調(diào)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)，即通過stdio函數(shù)（如fwrite）向被調(diào)用程序?qū)憯?shù)據(jù)，而被調(diào)用程序就可以在自己的標準輸入中讀取這些數(shù)據(jù)。

pclose函數(shù)用于關閉由popen創(chuàng)建出的關聯(lián)文件流。pclose只在popen啟動的進程結(jié)束后才返回，如果調(diào)用pclose時被調(diào)用進程仍在運行，pclose調(diào)用將等待該進程結(jié)束。它返回關閉的文件流所在進程的退出碼。

2、例子

很多時候，我們根本就不知道輸出數(shù)據(jù)的長度，為了避免定義一個非常大的數(shù)組作為緩沖區(qū)，我們可以以塊的方式來發(fā)送數(shù)據(jù)，一次讀取一個塊的數(shù)據(jù)并發(fā)送一個塊的數(shù)據(jù)，直到把所有的數(shù)據(jù)都發(fā)送完。下面的例子就是采用這種方式的數(shù)據(jù)讀取和發(fā)送方式。源文件名為popen.c，代碼如下：

#include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <string.h>  int main() {   FILE *read_fp = NULL;   FILE *write_fp = NULL;   char buffer[BUFSIZ + 1];   int chars_read = 0;      //初始化緩沖區(qū)   memset(buffer, '/0', sizeof(buffer));   //打開ls和grep進程   read_fp = popen("ls -l", "r");   write_fp = popen("grep rwxrwxr-x", "w");   //兩個進程都打開成功   if(read_fp && write_fp)   {     //讀取一個數(shù)據(jù)塊     chars_read = fread(buffer, sizeof(char), BUFSIZ, read_fp);     while(chars_read > 0)     {       buffer[chars_read] = '/0';       //把數(shù)據(jù)寫入grep進程       fwrite(buffer, sizeof(char), chars_read, write_fp);       //還有數(shù)據(jù)可讀，循環(huán)讀取數(shù)據(jù)，直到讀完所有數(shù)據(jù)       chars_read = fread(buffer, sizeof(char), BUFSIZ, read_fp);     }     //關閉文件流     pclose(read_fp);     pclose(write_fp);     exit(EXIT_SUCCESS);   }   exit(EXIT_FAILURE); }

運行結(jié)果如下：

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從運行結(jié)果來看，達到了信息篩選的目的。程序在進程ls中讀取數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)發(fā)送到進程grep中進行篩選處理，相當于在shell中直接輸入命令：ls -l | grep rwxrwxr-x。

3、popen的實現(xiàn)方式及優(yōu)缺點

當請求popen調(diào)用運行一個程序時，它首先啟動shell，即系統(tǒng)中的sh命令，然后將command字符串作為一個參數(shù)傳遞給它。

這樣就帶來了一個優(yōu)點和一個缺點。優(yōu)點是：在Linux中所有的參數(shù)擴展都是由shell來完成的。所以在啟動程序（command中的命令程序）之前先啟動shell來分析命令字符串，也就可以使各種shell擴展（如通配符）在程序啟動之前就全部完成，這樣我們就可以通過popen啟動非常復雜的shell命令。

而它的缺點就是：對于每個popen調(diào)用，不僅要啟動一個被請求的程序，還要啟動一個shell，即每一個popen調(diào)用將啟動兩個進程，從效率和資源的角度看，popen函數(shù)的調(diào)用比正常方式要慢一些。

三、pipe調(diào)用

如果說popen是一個高級的函數(shù)，pipe則是一個底層的調(diào)用。與popen函數(shù)不同的是，它在兩個進程之間傳遞數(shù)據(jù)不需要啟動一個shell來解釋請求命令，同時它還提供對讀寫數(shù)據(jù)的更多的控制。

pipe函數(shù)的原型如下：

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

我們可以看到pipe函數(shù)的定義非常特別，該函數(shù)在數(shù)組中墻上兩個新的文件描述符后返回0，如果返回返回-1，并設置errno來說明失敗原因。

數(shù)組中的兩個文件描述符以一種特殊的方式連接起來，數(shù)據(jù)基于先進先出的原則，寫到file_descriptor[1]的所有數(shù)據(jù)都可以從file_descriptor[0]讀回來。由于數(shù)據(jù)基于先進先出的原則，所以讀取的數(shù)據(jù)和寫入的數(shù)據(jù)是一致的。

特別提醒：

1、從函數(shù)的原型我們可以看到，它跟popen函數(shù)的一個重大區(qū)別是，popen函數(shù)是基于文件流（FILE）工作的，而pipe是基于文件描述符工作的，所以在使用pipe后，數(shù)據(jù)必須要用底層的read和write調(diào)用來讀取和發(fā)送。

2、不要用file_descriptor[0]寫數(shù)據(jù)，也不要用file_descriptor[1]讀數(shù)據(jù)，其行為未定義的，但在有些系統(tǒng)上可能會返回-1表示調(diào)用失敗。數(shù)據(jù)只能從file_descriptor[0]中讀取，數(shù)據(jù)也只能寫入到file_descriptor[1]，不能倒過來。

例子：

首先，我們在原先的進程中創(chuàng)建一個管道，然后再調(diào)用fork創(chuàng)建一個新的進程，最后通過管道在兩個進程之間傳遞數(shù)據(jù)。源文件名為pipe.c，代碼如下：

#include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <string.h>  int main() {   int data_processed = 0;   int filedes[2];   const char data[] = "Hello pipe!";   char buffer[BUFSIZ + 1];   pid_t pid;   //清空緩沖區(qū)   memset(buffer, '/0', sizeof(buffer));    if(pipe(filedes) == 0)   {     //創(chuàng)建管道成功     //通過調(diào)用fork創(chuàng)建子進程     pid = fork();     if(pid == -1)     {       fprintf(stderr, "Fork failure");       exit(EXIT_FAILURE);     }     if(pid == 0)     {       //子進程中       //讀取數(shù)據(jù)       data_processed = read(filedes[0], buffer, BUFSIZ);       printf("Read %d bytes: %s/n", data_processed, buffer);       exit(EXIT_SUCCESS);     }     else     {       //父進程中       //寫數(shù)據(jù)       data_processed = write(filedes[1], data, strlen(data));       printf("Wrote %d bytes: %s/n", data_processed, data);       //休眠2秒，主要是為了等子進程先結(jié)束，這樣做也只是純粹為了輸出好看而已       //父進程其實沒有必要等等子進程結(jié)束       sleep(2);       exit(EXIT_SUCCESS);     }   }   exit(EXIT_FAILURE); }

運行結(jié)果為：

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可見，子進程讀取了父進程寫到filedes[1]中的數(shù)據(jù)，如果在父進程中沒有sleep語句，父進程可能在子進程結(jié)束前結(jié)束，這樣你可能將看到兩個輸入之間有一個命令提示符分隔。

四、把管道用作標準輸入和標準輸出

下面來介紹一種用管道來連接兩個進程的更簡潔方法，我們可以把文件描述符設置為一個已知值，一般是標準輸入0或標準輸出1。這樣做最大的好處是可以調(diào)用標準程序，即那些不需要以文件描述符為參數(shù)的程序。

為了完成這個工作，我們還需要兩個函數(shù)的輔助，它們分別是dup函數(shù)或dup2函數(shù)，它們的原型如下

#include <unistd.h> int dup(int file_descriptor); int dup2(int file_descriptor_one, int file_descriptor_two);

dup調(diào)用創(chuàng)建一個新的文件描述符與作為它的參數(shù)的那個已有文件描述符指向同一個文件或管道。對于dup函數(shù)而言，新的文件描述總是取最小的可用值。而dup2所創(chuàng)建的新文件描述符或者與int file_descriptor_two相同，或者是第一個大于該參數(shù)的可用值。所以當我們首先關閉文件描述符0后調(diào)用dup，那么新的文件描述符將是數(shù)字0.

例子

在下面的例子中，首先打開管道，然后fork一個子進程，然后在子進程中，使標準輸入指向讀管道，然后關閉子進程中的讀管道和寫管道，只留下標準輸入，最后調(diào)用execlp函數(shù)來啟動一個新的進程od，但是od并不知道它的數(shù)據(jù)來源是管道還是終端。父進程則相對簡單，它首先關閉讀管道，然后在寫管道中寫入數(shù)據(jù)，再關閉寫管道就完成了它的任務。源文件為pipe2.c，代碼如下：

#include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <string.h>  int main() {   int data_processed = 0;   int pipes[2];   const char data[] = "123";   pid_t pid;    if(pipe(pipes) == 0)   {     pid = fork();     if(pid == -1)     {       fprintf(stderr, "Fork failure!/n");       exit(EXIT_FAILURE);     }     if(pid == 0)     {       //子進程中       //使標準輸入指向fildes[0]       close(0);       dup(pipes[0]);       //關閉pipes[0]和pipes[1]，只剩下標準輸入       close(pipes[0]);       close(pipes[1]);       //啟動新進程od       execlp("od", "od", "-c", 0);       exit(EXIT_FAILURE);     }     else     {       //關閉pipes[0],因為父進程不用讀取數(shù)據(jù)       close(pipes[0]);       data_processed = write(pipes[1], data, strlen(data));       //寫完數(shù)據(jù)后，關閉pipes[1]       close(pipes[1]);       printf("%d - Wrote %d bytes/n", getpid(), data_processed);     }   }   exit(EXIT_SUCCESS); }

運行結(jié)果為：

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從運行結(jié)果中可以看出od進程正確地完成了它的任務，與在shell中直接輸入od -c和123的效果一樣。

五、關于管道關閉后的讀操作的討論

現(xiàn)在有這樣一個問題，假如父進程向管道file_pipe[1]寫數(shù)據(jù)，而子進程在管道file_pipe[0]中讀取數(shù)據(jù)，當父進程沒有向file_pipe[1]寫數(shù)據(jù)時，子進程則沒有數(shù)據(jù)可讀，則子進程會發(fā)生什么呢？再者父進程把file_pipe[1]關閉了，子進程又會有什么反應呢？

當寫數(shù)據(jù)的管道沒有關閉，而又沒有數(shù)據(jù)可讀時，read調(diào)用通常會阻塞，但是當寫數(shù)據(jù)的管道關閉時，read調(diào)用將會返回0而不是阻塞。注意，這與讀取一個無效的文件描述符不同，read一個無效的文件描述符返回-1。