Linux C语言 39-进程间通信IPC之管道

本节关键字：C语言进程间通信管道 FIFO
相关库函数：pipe、mkfifo、mknod、write、read

什么是管道？

管道通常指“无名管道”，是Unix系统中最古老的IPC通信方式。

管道的分类

管道（无名管道）
FIFO（命名管道）

管道的特点

管道（无名管道）

半双工，数据只能由连接的一端发送到另一端，并且读端和写端固定；
只能用于具有亲缘关系的进程通信，如父子进程、兄弟进程；
可以当成一种特殊的文件，不属于任何文件系统，只存在于内存中。读写使用read()和write等函数；
管道有互斥功能，同一时间只能有一个进程从管道读取数据。

FIFO（命名管道）

FIFO是一种文件类型，有路径名，以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中；
FIFO可以在无关的进程之间交换数据，这点与无名管道不同；
管道有互斥功能，同一时间只能有一个进程从管道读取数据。

管道相关库函数

管道（无名管道）

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);
/**
@brief 创建管道，需要手动关闭管道，即手动关闭两个文件描述符
@param fd 承接管道创建时的两个文件描述符，fd[0]为读端描述符，fd[1]为写端描述符
@return 成功返回0，失败返回-1并设置错误码error

错误码error类型：
EFAULT     pipefd无效
EINVAL     （pipe2（））标志中的值无效
EMFILE  进程正在使用的文件描述符过多
ENFILE     打开文件总数已达到系统限制
*/

管道使用例程

// 管道使用例程：创建管道和进程，子进程读管道，父进程写管道
#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int pipefd[2];
    pid_t cpid;
    char buf;

    assert(argc == 2);    // 断言：有一个命令行参数，argv[1]将被写入管道

    if (pipe(pipefd) == -1) 
    {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    cpid = fork();
    if (cpid == -1) 
    {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (cpid == 0)        // 子进程：关闭写文件描述符，读管道
    {
        close(pipefd[1]);

        while (read(pipefd[0], &buf, 1) > 0)
            write(STDOUT_FILENO, &buf, 1);

        write(STDOUT_FILENO, "\n", 1);
        close(pipefd[0]);
        _exit(EXIT_SUCCESS);

    } 
    else                   // 父进程：关闭读文件描述符，写管道，将命令行参数argv[1]写入管道
    {
        close(pipefd[0]);
        write(pipefd[1], argv[1], strlen(argv[1]));
       
        close(pipefd[1]);  // 读端将收到EOF
        wait(NULL);        // 等待子进程退出
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
   
    return 0;
}

FIFO（命名管道）

#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
/**
@brief 创建FIFO管道，需要手动关闭管道，即手动关闭文件描述符。FIFO特殊文件不是匿名通信通道，而是通过调用mkfifo()输入到文件系统中
@param pathname FIFO的路径名，文件真实存在
@param mode 创建FIFO文件的权限，创建的文件的权限为（mode&~umask）
@return 成功返回0，失败返回-1并设置错误码error

错误码error分类：
EACCES        路径名中的一个目录没有搜索（执行）权限
EEXIST        路径名已存在。这包括路径名是符号链接的情况，无论是否悬空
ENAMETOOLONG    路径名的总长度大于PATH_MAX，或者单个文件名组件的长度大于NAME_MAX。在GNU系统中，对文件名的总长度没有强制限制，但一些文件系统可能会对组件的长度进行限制
ENOENT        路径名中的目录组件不存在，或者是悬挂的符号链接
ENOSPC        目录或文件系统没有空间容纳新文件
ENOTDIR        在路径名中用作目录的组件实际上不是目录
EROFS        路径名是指只读文件系统

Trip：一旦你以这种方式创建了一个FIFO特殊文件，任何进程都可以像普通文件一样打开它进行读取或写入。然而，在您可以继续对其进行任何输入或输出操作之前，它必须同时在两端打开。打开FIFO以正常读取块，直到其他进程打开相同的FIFO进行写入，反之亦然。有关fifo特殊文件的非阻塞处理，请参见fifo（7）。
*/

FIFO使用例程

FIFO使用例程：创建FIFO，多个个服务端读，多个个客户端写，验证管道的互斥功能

FIFO使用服务端例程

// FIFO使用例程 服务端，循环读取管道中的信息，直到管道的所有写端关闭
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>

int main(void)
{
    char pathname[] = "./myfifo";
    int ret, fd;
    char buffer[1024];
    
    umask(0);
    ret = mkfifo(pathname, 0666);  // mode附加读写权限
    fd = open(pathname, O_RDONLY); // 服务端只读打开FIFO文件
    if (fd < 0)
        return -1;
    
    for ( ; ; )
    {
        bzero(buffer, 0);
        ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer)-1);
        if (ret > 0)
        {
            printf("server recv: %s\n", buffer);
            fflush(stdout);
        }
        else if (ret == 0)
        {
            printf("server: client quit\n");
            break;
        }
        else
        {
            perror("server failed to read myfifo\n");
            break;
        }
    }
    
    close(fd);
    
    return 0;
}

FIFO使用客户端例程

// FIFO使用例程：客户端，将用户输入的信息写入管道，循环执行6次退出
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>

int main(void)
{
    char pathname[] = "./myfifo";
    int ret, fd, cnt;
    char buffer[1024];
    
    fd = open(pathname, O_WRONLY);    // 客户端只写开打FIFO文件
    if (fd < 0)
        return -1;
    
    do
    {
        printf("please input message: ");
        fflush(stdout);
        
        bzero(buffer, 0);
        ret = read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer)-1);
        if (ret <= 0)
        {
            perror("read");
        }
        else
        {
            write(fd, buffer, ret);
        }
        
    } while (++cnt <= 5);
    
    close(fd);
    return 0;
}

运行结果

/// 从两个服务端的运行结果可知，管道有互斥功能，同一时刻只有一个进程可以从管道读取数据

// 服务端1：
$ ./fifoserver 
server recv: client1: 1

server recv: client2: 1

server recv: client1: 2

server recv: client1: 3

server recv: client1: 5

server recv: client2: 4

server recv: client2: 6

server: client quit

// 服务端2：
$ ./fifoserver 
server recv: client1: 4

server recv: client1: 6

server recv: client2: 2

server recv: client2: 3

server recv: client2: 5

server: client quit

// 客户端1：
$ ./fifoclient 
please input message: client1: 1    
please input message: client1: 2
please input message: client1: 3
please input message: client1: 4
please input message: client1: 5
please input message: client1: 6

// 客户端2：
$ ./fifoclient 
please input message: client2: 1
please input message: client2: 2     
please input message: client2: 3
please input message: client2: 4
please input message: client2: 5
please input message: client2: 6