Linux环境编程之IPC进程间通信(二)：管道
时间：2014-06-07 16:12:47
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管道作为最古老的进程间通信方法，它有以下几个特点：
1、在所有的UNIX实现中都存在。
2、没有名字，因此只能由有亲缘关系的进程使用。
3、它由函数pipe创建，read和write函数访问，但只提供单路（单向）数据流。
<span style="font-size:14px;">#include <unistd.h> int pipe(int fd[2]); 返回：若成功则为0，若出错则为-1</span>
经由参数fd返回两个文件描述符：fd[0]为读而打开，fd[1]为写而打开。fd[1]的输出是fd[0]的输入。
宏S_ISFIFO可用于确定一个描述符或文件是管道还是FIFO。它的唯一参数是stat结构的st_mode成员。对于管道来说，这个stat结构是由fstat函数填写的。对于FIFO来说，这个结构是由fstat、lstat或stat函数填写的。
单进程使用管道的情况一般如图所示：
图 单个进程中的管道
尽管管道是由单个进程创建的，它却很少在单个进程内使用。通常，调用pipe的进程接着调用fork，这样就创建了从父进程到子进程或反向的IPC通道。如图所示；
图 单个进程内的管道，刚刚fork后
对于从父进程到子进程的管道，父进程关闭管道的读端fd[0]，子进程关闭写端fd[1]。结果如图所示：
图 从父进程到子进程的管道
从父进程到子进程的管道，并且父进程经由该管道向子进程传送数据。程序示例如下：
<span style="font-size:14px;">#include <unistd.h>
#define MAXLINE 4096
int
main(void)
{
int n;
int fd[2];
pid_t pid;
char line[MAXLINE];
if(pipe(fd) < 0){
printf("pipe error");
return -1;
}
if((pid = fork()) < 0){
printf("fork error");
return -1;
}else if(pid > 0){ /*parent 父进程*/
close(fd[0]);
write(fd[1], "hello world", 12);
}else{ /*child 子进程*/
close(fd[1]);
n = read(fd[0], line, MAXLINE);
write(STDOUT_FILENO, line, n);
}
exit(0);
}</span><span style="font-size:14px;">编译: gcc pipe.c -o pipe 测试：./pipe 结果：hello world</span>
上面所说的管道都是半双工的即单向的，只提供一个方向的数据流。当需要一个双向数据流时，必须创建两个管道，每个方向一个。实际步骤如下：
1、创建管道1和管道2
2、fork
3、父进程关闭管道1的读出端、关闭管道2的写入端
3、子进程关闭管道1的写入端、关闭管道2的读出端。
完成上述步骤后的管道布局如下图所示。
图 提供一个双向数据流的两个管道
有了双向数据流后，我们就可以完成客户-服务器的程序例子了。其实现如下图所示：
图 使用两个管道实现的客户-服务器例程
根据上面提到的创建两个管道的步骤以及客户-服务器的图示，可以利用管道编写客户-服务器例程代码如下：
mainpipe.c
<span style="font-size:14px;">#include "pipe.h"
extern void client(int, int);
extern void server(int, int);
int
main(int argc, char *argv[])
{
int pipe1[2], pipe2[2];
pid_t pid;
pipe(pipe1);
pipe(pipe2);
if((pid = fork()) < 0){
printf("fork error.\n");
return -1;
}else if(pid == 0){ /*child*/
close(pipe1[1]);
close(pipe2[0]);
server(pipe1[0], pipe2[1]);
exit(0);
}else{ /*parent*/
close(pipe1[0]);
close(pipe2[1]);
client(pipe2[0], pipe1[1]);
waitpid(pid, NULL, 0); /*wait for child to terminate*/
exit(0);
}
}</span>server.c<span style="font-size:14px;">#include "pipe.h"
void
server(int readfd, int writefd)
{
int fd;
ssize_t n;
char buff[MAXLINE+1];
/*read pathname frome IPC channel*/
if((n = read(readfd, buff, MAXLINE)) == 0){
printf("end-of-file while reading pathname.\n");
return ;
}
buff[n] = '\0'; /*null terminate pathname*/
if((fd = open(buff, O_RDONLY)) < 0){
/*error:must tell client*/
snprintf(buff+n, sizeof(buff)-n, ":can't open, %s\n", strerror(errno));
n = strlen(buff);
write(writefd, buff, n);
}else{
/*open succeeded:copy file to IPC channel*/
while((n = read(fd, buff, MAXLINE)) > 0)
write(writefd, buff, n);
close(fd);
}
}</span>client.c<span style="font-size:14px;">#include "pipe.h"
int
client(int readfd, int writefd)
{
size_t len;
ssize_t n;
char buff[MAXLINE];
/*read pathname*/
fgets(buff, MAXLINE, stdin);
len = strlen(buff);
if(buff[len-1] == '\n')
len--;
/*write pathname to IPC channel*/
write(writefd, buff, len);
/*read from IPC, write to standard output*/
while((n = read(readfd, buff, MAXLINE)) > 0)
write(STDOUT_FILENO, buff, n);
}</span>pipe.h<span style="font-size:14px;">#include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <fcntl.h> #include <errno.h> #define MAXLINE 4096</span>编译：gcc server.c client.c mainpipe.c -o mainpipe
可得可执行文件mainpipe。
上面给出的例程中，都是先创建管道，调用fork启动另外一个进程，然后读其输出或向其输入端发送数据，比较麻烦。为此，标准I/O库提供了两个函数popen和pclose函数。其实现的操作包括：创建一个管道，调用fork产生一个子进程，关闭管道的不适用端，执行一个shell以运行命令，然后等待命令终止。
函数原型：
#include <stdio.h>
FILE *popen(const char *cmdstring, const char *type);//返回值：若成功则返回文件指针，若出错则返回NULL
int pclose(FILE *fp);//返回值：cmdstring的终止状态，若出错则返回-1
函数popen先执行fork，然后调用exec以执行cmdstring，并且返回一个标准I/O文件指针。
如果type是“r”，则文件指针连接到cmdstring的标准输出。
如果type是“w”，则文件指针连接到cmdstring的标准输入。
图解函数popen如下：
使用popen函数重写客户-服务器程序代码如下：
<span style="font-size:14px;">#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define MAXLINE 4096
int
main(int argc, char **argv)
{
size_t n;
char buff[MAXLINE], command[MAXLINE];
FILE *fp;
/*read pathname*/
fgets(buff, MAXLINE, stdin);
n = strlen(buff); /*fgets() guarantees null byte at end*/
if(buff[n-1] == '\n')
n--; /*delete newline from fgets()*/
snprintf(command, sizeof(command), "cat %s", buff);
fp = popen(command, "r");
/*copy from pipe to standard output*/
while(fgets(buff, MAXLINE, fp) != NULL)
fputs(buff, stdout);
pclose(fp);
exit(0);
}</span>对比两个代码可以发现，使用popen函数要简单许多。
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