本文主要简述管道的相关概念、原理、特质、局限性以及分析管道的通信步骤及原理.

一、概念

管道是一种最基本的IPC机制,作用于有血缘关系的进程之间,通过使用pipe函数在内核中开辟一段缓冲区来实现两个进程之间的通信.

二、原理

管道实为内核使用环形队列机制,借助内核缓冲区(4K)实现,是一个典型的生产者-消费者模型.

三、特质

1.管道其本质是一个伪文件(实为内存缓冲区),因此具有IO的特性,其生命周期随进程.

2.管道由两个文件描述符引用,一个表示读端,一个表示写端.

3.管道规定数据从写端流入,从读端流出.

4.管道的属于字节流传输,需要

四、局限性

1.数据不能自己读,自己写.

2.数据一旦被读走,便不会在管道中存在,不可反复读取.

3.管道采用半双工通信方式,因此,数据只能在一个方向上流动.

4.只有在有公共祖先的进程间使用管道.

五、通信步骤及原理

1.父进程使用pipe函数创建一个管道.

当父进程使用pipe函数时,相当于此时打开了两个文件,fd0和fd1,fd[0]和fd[1]都在文件的描述符表中.

2.父进程通过fork函数创建出子进程.

当父进程fork出子进程时,子进程会继承父进程的文件描述符表,因此子进程也能看到

3.父进程关闭读端fd[0],子进程关闭写端fd[1].

4.以文件方式进行通信.

六、函数原型

创建管道主要用到pipe函数,pipe的原型如下:

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

参数:一个整型数组,管道创建成功后,pipefd[0]表示管道的读端,pipefd[1]表示管道的写端.

成功返回0,失败返回-1,同时errno被设置.

七、父子进程通信

上文中,我们描述了父子进程通过管道来进行通信的整个过程,现在我们用C语言来实现:

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main(){
    int fds[2] = {0};
    //1.创建管道
    if(pipe(fds)==-1){
        perror("pipe");
        return 1;
    }
    //2.fork子进程
    pid_t pid = fork();
    if(pid > 0){        //father
        //3.父进程关闭读端,向写端写入数据
        close(fds[0]);
        char buff[1024]={0};
        printf("parent to child#");
        fflush(stdout);
        ssize_t s = read(0,buff,sizeof(buff)-1);
        buff[s-1] = 0;
        write(fds[1],buff,s);
        close(fds[1]);
    }else if(pid==0){   //child
        //3.子进程关闭写端,从读端读出数据
        close(fds[1]);
        char buff[1024]={0};
        ssize_t s = read(fds[0],buff,sizeof(buff));
        printf("child to receive#%s\n",buff);
        close(fds[0]);
    }else{
        perror("fork");
        return 2;
    }
    wait(NULL); //回收子进程
    return 0;
}

上述代码中,我们展示的是父子进程普通的通信情况,除了正常情况之外,我们还需考虑四种异常情况:

八、四种异常情况

为了节省文章篇幅,代码部分省略,读者可以自行测试.

1.父进程不断向管道中写数据,子进程不从管道中读取数据,子进程fds[0]读端保持开启.

这种情况将导致管道被写满,同时父进程被阻塞,直到管道中有空位置.

2.父进程不断向管道中写数据,子进程不从管道中读取数据,子进程关闭了fds[0]读端.

这种情况下,父进程会收到SIGPIPE信号,进而被终止.

3.父进程向管道中写了一些数据,子进程不断从管道中读取数据,父进程fds[1]写端保持开启.

这种情况下,子进程将管道中数据读取完毕之后,会进入阻塞状态.直到管道中有新数据产生.

4.父进程向管道中写了一些数据,子进程不断从管道中读取数据,父进程关闭了fds[1]写端.

这种情况下,子进程会读完管道中数据,最后read返回0,就像读到文件末尾一样.