一 進(jìn)程間通信的基本概念

1.1 對進(jìn)程間通信的基本理解

進(jìn)程間通信(Inter Process Communication，簡稱 IPC)

進(jìn)程間通信意味著兩個不同進(jìn)程間可以交換數(shù)據(jù)，為了實現(xiàn)這一點，操作系統(tǒng)內(nèi)核需要提供兩個進(jìn)程可以同時訪問的內(nèi)存空間，即在內(nèi)核中開辟一塊緩沖區(qū)。整個數(shù)據(jù)交換過程如下圖所示：

圖1? 進(jìn)程間通信

從上圖 1-1 可以看出，只要有兩個進(jìn)程可以同時訪問的內(nèi)存空間，就可以通過此空間交換數(shù)據(jù)。但我們知道，進(jìn)程具有完全獨立的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，就連通過 fork 函數(shù)創(chuàng)建的子進(jìn)程也不會與其父進(jìn)程共享內(nèi)存空間。因此，進(jìn)程間通信只能在操作系統(tǒng)內(nèi)核區(qū)開辟這種共享內(nèi)存緩沖區(qū)。

《拓展》關(guān)于進(jìn)程間通信的機制請參見下面博文鏈接

Linux進(jìn)程之進(jìn)程間通信

二 Linux 的管道(pipe)

2.1 管道的基本概念

管道(pipe) 也稱為匿名管道，是Linux下最常見的進(jìn)程間通信方式之一，它是在兩個進(jìn)程之間實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)流通的通道。

基于管道的進(jìn)程間通信結(jié)構(gòu)模型如下圖2所示。

圖2? 基于管道的進(jìn)程間通信模型

?????????為了完成進(jìn)程間通信，需要創(chuàng)建管道。管道并非屬于進(jìn)程的資源，而是和套接字一樣，屬于操作系統(tǒng)（也就不是 fork 函數(shù)的復(fù)制對象）。所以，兩個進(jìn)程通過操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的內(nèi)存空間進(jìn)行通信。

2.2 管道的特點

Linux 的管道具有以下特點：

• 管道沒有名字，所以也稱為匿名管道。
• 管道是半雙工的通信方式，數(shù)據(jù)只能向一個方向流動；需要雙向通信時，需要建立起兩個管道。（缺點1）
• 管道只能用在父子進(jìn)程或兄弟進(jìn)程之間（即具有親緣關(guān)系的進(jìn)程）。（缺點2）
• 管道單獨構(gòu)成一種獨立的文件系統(tǒng)，管道對于管道兩端的進(jìn)程而言，就是一個文件，但它不是普通文件，它不屬于某種文件系統(tǒng)，而是自立門戶，單獨構(gòu)成一種文件系統(tǒng)，并且只存在于內(nèi)存中。
• 數(shù)據(jù)的讀出和寫入：一個進(jìn)程向管道中寫入的內(nèi)容被管道另一端的進(jìn)程讀出。寫入的內(nèi)容每次都添加在管道緩沖區(qū)的末尾，并且每次都是從緩沖區(qū)的頭部讀出數(shù)據(jù)。
• 管道的緩沖區(qū)是有限的（管道只存在于內(nèi)存中，在管道創(chuàng)建時，為緩沖區(qū)分配一個頁面大小）。
• 管道中所傳遞的數(shù)據(jù)是無格式的字節(jié)流，這就要求管道的讀出方和寫入方必須事先約定好數(shù)據(jù)的格式。例如，多少字節(jié)算作一個消息（或命令、記錄等）。

2.3 管道的實現(xiàn)方法

??????? 當(dāng)一個進(jìn)程創(chuàng)建一個管道時，Linux 系統(tǒng)內(nèi)核為使用該管道準(zhǔn)備了兩個文件描述符：一個用于管道的輸入（即進(jìn)程寫操作），也就是在管道中寫入數(shù)據(jù)；另一個用于管道的輸出（即進(jìn)程讀操作），也就是從管道中讀出數(shù)據(jù)，然后對這兩個文件描述符調(diào)用正常的系統(tǒng)調(diào)用（write、read函數(shù)），內(nèi)核利用這種抽象機制實現(xiàn)了管道這一特殊操作。如下圖 3 所示。

圖3? 管道的結(jié)構(gòu)

• ?管道結(jié)構(gòu)的說明

fd0：從管道中讀出數(shù)據(jù)時使用的文件描述符，即管道出口，用于進(jìn)程的讀操作（read），稱為讀管道文件描述符。

fd1：向管道中寫入數(shù)據(jù)時使用的文件描述符，即管道入口，用于進(jìn)程的寫操作（write），稱為寫管道文件描述符。

??????? 如果一個管道只與一個進(jìn)程相聯(lián)系，可以實現(xiàn)進(jìn)程自身內(nèi)部的通信，這個一般用在進(jìn)程內(nèi)線程間的通信（自己遇到過）。

??????? 通常情況下，一個創(chuàng)建管道的進(jìn)程接著就會創(chuàng)建子進(jìn)程，由于子進(jìn)程是復(fù)制父進(jìn)程所有資源創(chuàng)建出的進(jìn)程，因此子進(jìn)程將從父進(jìn)程那里繼承到讀寫管道的文件描述符，這樣父子進(jìn)程間的通信管道就建立起來了。如下圖 4 所示。

圖4? 父進(jìn)程與子進(jìn)程之間的管道

《父子進(jìn)程管道半雙工通信說明》

• 父進(jìn)程的 fd[0] = 子進(jìn)程的 f[0]，即表示這兩個文件描述符都是標(biāo)識同一個管道的出口端。
• 父進(jìn)程的 fd[1] = 子進(jìn)程的 f[1]，即表示這兩個文件描述符都是標(biāo)識同一個管道的入口端。

《父子進(jìn)程數(shù)據(jù)傳輸方向》

父進(jìn)程 —> 子進(jìn)程的數(shù)據(jù)傳輸方向：父進(jìn)程的 fd[1] —> 管道 —> 子進(jìn)程的 fd[0]

子進(jìn)程 —> 父進(jìn)程的數(shù)據(jù)傳輸方向：子進(jìn)程的 fd[1] —> 管道 —> 父進(jìn)程的 fd[0]

??????? 例如，數(shù)據(jù)從父進(jìn)程傳輸給子進(jìn)程時，則父進(jìn)程關(guān)閉讀管道的文件描述符 fd[0]，子進(jìn)程關(guān)閉寫管道的文件描述符 fd[1]，這樣就建立了從父進(jìn)程到子進(jìn)程的通信管道，如下圖 5 所示。

圖5? 從父進(jìn)程到子進(jìn)程的管道

?2.4 管道的讀寫操作規(guī)則

??????? 在建立了一個管道之后即可通過相應(yīng)的文件 I/O 操作函數(shù)（例如 read、write 等）來讀寫管道，以完成數(shù)據(jù)的傳遞過程。

??????? 需要注意的是由于管道的一端已經(jīng)關(guān)閉，在進(jìn)行相應(yīng)的操作時，需要注意以下三個要點：

• 如果從一個寫描述符（fd[1]）關(guān)閉的管道中讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)讀完所有的數(shù)據(jù)后，read 函數(shù)返回0，表明已到達(dá)文件末尾。嚴(yán)格地說，只有當(dāng)沒有數(shù)據(jù)繼續(xù)寫入后，才可以說到達(dá)了完末尾，所以應(yīng)該分清楚到底是暫時沒有數(shù)據(jù)寫入，還是已經(jīng)到達(dá)文件末尾，如果是前者，讀進(jìn)程應(yīng)該等待。若為多進(jìn)程寫、單進(jìn)程讀的情況將更加復(fù)雜。
• 如果向一個讀描述符（fd[0]）關(guān)閉的管道中寫數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生 SIGPIPE 信號。不管是否忽略這個信號，還是處理它，write 函數(shù)都將返回 -1。
• 常數(shù) PIPE_BUF 規(guī)定了內(nèi)核中管道緩沖的大小，所以在寫管道中要注意一點。一次向管道中寫入 PIPE_BUF 或更少的字節(jié)數(shù)據(jù)時，不會和其他進(jìn)程寫入的內(nèi)容交錯；反之，當(dāng)存在多個寫管道的進(jìn)程時，向其中寫入超過 PIPE_BUF 個字節(jié)數(shù)據(jù)時，將會產(chǎn)生內(nèi)容交錯現(xiàn)象，即覆蓋了管道中的已有數(shù)據(jù)。

三 管道的操作

3.1 管道的創(chuàng)建

Linux 內(nèi)核提供了函數(shù) pipe 用于創(chuàng)建一個管道，對其標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用格式說明如下：

• pipe() — 創(chuàng)建一個匿名管道。

#include <unistd.h>int pipe(int pipefd[2]);/*參數(shù)說明 pipefd[2]: 長度為2的文件描述符整型數(shù)組 pipefd[0]: 是管道讀出端的文件描述符，也就是說pipefd[0]只能為讀操作打開。 pipefd[1]: 是管道寫入端的文件描述符，也就是說pipefd[1]只能為寫操作打開。 *///返回值: 成功時返回0，失敗時返回-1。

【編程實例】使用 pipe 函數(shù)創(chuàng)建管道。在一個進(jìn)程中使用管道的示例。

• pipe.c

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h>#define BUF_SIZE 100int main(int argc, char *argv[]) {int fd[2];char write_buf[BUF_SIZE] = {0}; //寫緩沖區(qū)char read_buf[BUF_SIZE] = {0}; //讀緩沖區(qū)if(pipe(fd) < 0) //創(chuàng)建管道{printf("create pipe error!\n");exit(1);}printf("write data to pipe: ");fgets(write_buf, BUF_SIZE, stdin); //從控制臺輸入一行字符串write(fd[1], write_buf, sizeof(write_buf));read(fd[0], read_buf, sizeof(write_buf));printf("read data from pipe: %s", read_buf);printf("pipe read_fd: %d, write_fd: %d\n", fd[0], fd[1]);close(fd[0]); //關(guān)閉管道的讀出端文件描述符close(fd[1]); //關(guān)閉管道的寫入端文件描述符return 0; }

• 運行結(jié)果

$ gcc pipe.c -o pipe
$ ./pipe
write data to pipe: This is a test!
read data from pipe: This is a test!
pipe read_fd: 3, write_fd: 4

《注意》在關(guān)閉一個管道時，必須對管道的兩端都執(zhí)行 close 操作，也就是說要對管道的兩個文件描述符都進(jìn)行 close 操作。

3.2 通過管道實現(xiàn)進(jìn)程間通信

????????當(dāng)父進(jìn)程調(diào)用 pipe 函數(shù)時將創(chuàng)建管道，同時獲取對應(yīng)于管道出入口兩端的文件描述符，此時父進(jìn)程可以讀寫同一管道，也就是本示例程序中那樣。但父進(jìn)程的目的通常是與子進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此需要將管道入口或出口中的其中一個文件描述符傳遞給子進(jìn)程。如何傳遞呢？答案就是調(diào)用 fork 函數(shù)。

• 在父子進(jìn)程中使用管道的詳細(xì)步驟

1、在父進(jìn)程中調(diào)用 pipe 函數(shù)創(chuàng)建一個管道。

2、在父進(jìn)程中調(diào)用 fork 函數(shù)創(chuàng)建一個子進(jìn)程。

3、在父進(jìn)程中關(guān)閉不使用的管道一端的文件描述符，然后調(diào)用對應(yīng)的寫操作函數(shù)，例如 write，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)寫入管道。

4、在子進(jìn)程中關(guān)閉不使用的管道一端的文件描述符，然后調(diào)用對應(yīng)的讀操作函數(shù)，例如 read，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)從管道中讀出。

5、在父子進(jìn)程中，調(diào)用 close 函數(shù)，關(guān)閉管道的文件描述符。

【編程實例】在父子進(jìn)程中使用管道。在父進(jìn)程中創(chuàng)建一個管道，并調(diào)用 fork 函數(shù)創(chuàng)建一個子進(jìn)程，父進(jìn)程將一行字符串?dāng)?shù)據(jù)寫入管道，在子進(jìn)程中，從管道讀出這個字符串并打印出來。

• pipe_fatherson.c

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h>#define BUF_SIZE 100int main(int argc, char *argv[]) {int fds[2], len;pid_t pid;char buf[BUF_SIZE];if(pipe(fds) < 0){ //創(chuàng)建一個管道，兩個文件描述符存入fds數(shù)組中printf("pipe() error!\n");exit(1);}if((pid = fork()) < 0){ //創(chuàng)建一個子進(jìn)程 printf("fork() error!\n");exit(1);}else if(pid > 0) //父進(jìn)程執(zhí)行區(qū)域{printf("Parent Proc, fds[0]=%d, fds[1]=%d\n", fds[0], fds[1]);close(fds[0]); //關(guān)閉父進(jìn)程的管道讀出端描述符fgets(buf, BUF_SIZE, stdin); //終端輸入一行字符串?dāng)?shù)據(jù) write(fds[1], buf, strlen(buf)); //向管道寫入數(shù)據(jù)}else //子進(jìn)程執(zhí)行區(qū)域{printf("Child Proc, fds[0]=%d, fds[1]=%d\n", fds[0], fds[1]);close(fds[1]); //關(guān)閉子進(jìn)程的管道寫入端描述符len = read(fds[0], buf, BUF_SIZE); //從管道中讀出字符串?dāng)?shù)據(jù)buf[len] = '\0';printf("%s", buf);close(fds[0]); //關(guān)閉子進(jìn)程的管道讀出端描述符}close(fds[1]); //關(guān)閉父進(jìn)程的管道寫入端描述符return 0; }

• 運行結(jié)果

$ gcc pipe_fatherson.c -o pipe_fatherson
[wxm@centos7 pipe]$ ./pipe_fatherson
Parent Proc, fds[0]=3, fds[1]=4
Child Proc, fds[0]=3, fds[1]=4
Who are you?
Who are you?

《代碼說明》

• 第14行：在父進(jìn)程中調(diào)用 pipe 函數(shù)創(chuàng)建管道，fds 數(shù)組中保存用于讀寫 I/O 的文件描述符。
• 第18行：接著調(diào)用 fork 函數(shù)。子進(jìn)程將同時擁有通過第14行 pipe 函數(shù)調(diào)用獲取的2個文件描述符，從上面的運行結(jié)果可以驗證這一點。注意！復(fù)制的并非管道，而是用于管道 I/O 的文件描述符。至此，父子進(jìn)程同時擁有管道 I/O 的文件描述符。
• 第27、33行：父進(jìn)程通過第27行代碼，向管道寫入字符串；子進(jìn)程通過第33行代碼，從管道接收字符串。
• 第36、39行：第36行代碼，子進(jìn)程結(jié)束運行前，關(guān)閉管道的讀出端文件描述符；第39行代碼，父進(jìn)程（也是主進(jìn)程）結(jié)束運行前，關(guān)閉管道的寫入端文件描述符。

• 在兄弟進(jìn)程中使用管道

??????? 在兄弟進(jìn)程中使用管道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方法和在父子進(jìn)程中類似，只是將對管道進(jìn)行操作的兩個進(jìn)程更換為兄弟進(jìn)程即可，在父進(jìn)程中則關(guān)閉該管道的 I/O 文件描述符。

【編程實例】值兄弟進(jìn)程中使用管道的應(yīng)用實例。首先在主進(jìn)程（也就是父進(jìn)程）中創(chuàng)建一個管道和兩個子進(jìn)程，然后在第1個子進(jìn)程中將一個字符串通過管道發(fā)送給第2個子進(jìn)程，第2個子進(jìn)程從管道中讀出數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)輸出到屏幕上。

• pipe_brother.c

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/wait.h>#define BUF_SIZE 100int main(int argc, char *argv[]) {int fds[2], len, status;pid_t pid, pid1, pid2;char buf[BUF_SIZE];if(pipe(fds) < 0){ //創(chuàng)建一個管道，兩個文件描述符存入fds數(shù)組中printf("pipe() error!\n");exit(1);}printf("Parent Proc, fds[0]=%d, fds[1]=%d\n", fds[0], fds[1]);if((pid1 = fork()) < 0){ //創(chuàng)建子進(jìn)程1printf("fork() error!\n");exit(1);}else if(pid1 == 0) //子進(jìn)程1執(zhí)行區(qū)域{printf("Child1 Proc, fds[0]=%d, fds[1]=%d\n", fds[0], fds[1]);close(fds[0]); //關(guān)閉子進(jìn)程1的管道讀出端描述符fgets(buf, BUF_SIZE, stdin); //從終端中輸入字符串?dāng)?shù)據(jù)write(fds[1], buf, strlen(buf)); //向管道寫入數(shù)據(jù)close(fds[1]); //關(guān)閉子進(jìn)程1的管道寫入端描述符exit(1);}if((pid2 = fork()) < 0){ //創(chuàng)建子進(jìn)程2printf("fork() error!\n");exit(1);}else if(pid2 == 0) //子進(jìn)程2執(zhí)行區(qū)域{printf("Child2 Proc, fds[0]=%d, fds[1]=%d\n", fds[0], fds[1]);close(fds[1]); //關(guān)閉子進(jìn)程2的管道寫入端描述符len = read(fds[0], buf, BUF_SIZE); //從管道中讀出字符串?dāng)?shù)據(jù)buf[len] = '\0';printf("%s", buf);close(fds[0]); //關(guān)閉子進(jìn)程2的管道讀出端描述符exit(2);}else //父進(jìn)程執(zhí)行區(qū)域{int proc_num = 2; //子進(jìn)程個數(shù)為2while(proc_num){while((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) == 0) //等待子進(jìn)程結(jié)束{continue;}if(pid == pid1){ //結(jié)束的是子進(jìn)程1printf("Child1 proc eixt, pid=%d\n", pid1);proc_num--;}else if(pid == pid2){ //結(jié)束的是子進(jìn)程2printf("Child2 proc eixt, pid=%d\n", pid2);proc_num--;}if(WIFEXITED(status)) //獲取子進(jìn)程退出時的狀態(tài)返回值printf("Child proc send %d\n", WEXITSTATUS(status));}}close(fds[0]); //關(guān)閉父進(jìn)程的管道讀出端描述符close(fds[1]); //關(guān)閉父進(jìn)程的管道寫入端描述符return 0; }

• 運行結(jié)果

$ gcc pipe_brother.c -o pipe_brother
[wxm@centos7 pipe]$ ./pipe_brother
Parent Proc, fds[0]=3, fds[1]=4
Child1 Proc, fds[0]=3, fds[1]=4
Child2 Proc, fds[0]=3, fds[1]=4
Hello,I`m your brother!
Hello,I`m your brother!
Child1 proc eixt, pid=4679
Child proc send 1
Child2 proc eixt, pid=4680
Child proc send 2

《代碼說明》

• 第54、58、62行：在父進(jìn)程中調(diào)用 waitpid 函數(shù)，等待子進(jìn)程的終止，如果沒有終止的子進(jìn)程也不會進(jìn)入阻塞狀態(tài)，而是返回0。當(dāng)子進(jìn)程1結(jié)束運行時，函數(shù)返回該子進(jìn)程的進(jìn)程ID，執(zhí)行第58行的代碼；同理，當(dāng)子進(jìn)程2結(jié)束運行時，函數(shù)返回該子進(jìn)程的進(jìn)程ID，執(zhí)行第62行的代碼。

3.3 通過管道實現(xiàn)進(jìn)程間雙向通信

下面創(chuàng)建2個進(jìn)程和1個管道進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換的示例，其通信方式如下圖6所示。

圖6? 管道雙向通信模型1

?從圖6可以看出，通過一個管道可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。但采用這種模型時需格外注意。先給出示例，稍后再分析討論。

• pipe_duplex.c

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <errno.h>#define BUF_SIZE 100int main(int argc, char *argv) {int fds[2];char str1[] = "Who are you?";char str2[] = "Thank you for your message";char buf[BUF_SIZE];pid_t pid, ret;ret = pipe(fds);if(ret < 0){perror("pipe() error");exit(1);}pid = fork();if(pid == 0) //子進(jìn)程區(qū)域{write(fds[1], str1, sizeof(str1)); //向管道寫入字符串str1sleep(2); //讓子進(jìn)程暫停2秒read(fds[0], buf, BUF_SIZE); //從管道讀出數(shù)據(jù)printf("Child proc output: %s\n", buf); //打印從管道讀出的字符串}else //父進(jìn)程區(qū)域{read(fds[0], buf, BUF_SIZE); //從管道讀出數(shù)據(jù)printf("Parent porc output: %s\n", buf);write(fds[1], str2, sizeof(str2)); //向管道寫入字符串str2sleep(3); //讓父進(jìn)程暫停3秒}return 0; }

• 運行結(jié)果

$ gcc pipe_duplex.c -o pipe_duplex

$ ./pipe_duplex
Parent porc output: Who are you?
Child proc output: Thank you for your message

??????? 運行結(jié)果和我們預(yù)想的一樣：子進(jìn)程向管道中寫入字符串 str1，父進(jìn)程從管道中讀出該字符串；父進(jìn)程向管道中寫入字符串 str2，子進(jìn)程從管道中讀出該字符串。如果我們將第 27 行的代碼注釋掉，運行結(jié)果會是怎樣呢？

$ ./pipe_duplex
Child proc output: Who are you?

從上面的運行結(jié)果和進(jìn)程狀態(tài)可以看出，進(jìn)程 pipe_duplex 陷入了 死鎖狀態(tài)(<defunct>)，產(chǎn)生的原因是什么呢？

“向管道中傳遞數(shù)據(jù)時，先讀的進(jìn)程會把管道中的數(shù)據(jù)取走。”

????????數(shù)據(jù)進(jìn)入管道后成為無主數(shù)據(jù)。也就是通過 read 函數(shù)先讀取數(shù)據(jù)的進(jìn)程將得到數(shù)據(jù)，即使該進(jìn)程將數(shù)據(jù)傳到了管道。因此，注釋掉第 27 行代碼將產(chǎn)生問題。在第 28 行，子進(jìn)程將讀回自己在第 26 行向管道發(fā)送的數(shù)據(jù)。結(jié)果，父進(jìn)程調(diào)用 read 函數(shù)后將無限期等待數(shù)據(jù)進(jìn)入管道，導(dǎo)致進(jìn)程陷入死鎖。

??????? 從上述示例中可以看到，只用一個管道進(jìn)行進(jìn)程間的雙向通信并非易事。為了實現(xiàn)這一點，程序需要預(yù)測并控制運行流程，這在每種系統(tǒng)中都不同，可以視為不可能完成的任務(wù)。既然如此，該如何進(jìn)行雙向通信呢？

“創(chuàng)建兩個管道。”

??????? 非常簡單，一個管道無法完成雙向通信任務(wù)，因此需要創(chuàng)建兩個管道，各自負(fù)責(zé)不同的數(shù)據(jù)流動方向即可。其過程如下圖 7 所示。

圖7? 雙向通信模型2

???????? 由上圖 7 可知，使用兩個管道可以避免程序流程的不可預(yù)測或不可控制因素。下面采用上述模型改進(jìn) pipe_duplex.c 程序。

• pipe_duplex2.c

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <errno.h>#define BUF_SIZE 100int main(int argc, char *argv) {int fds1[2], fds2[2];char str1[] = "Who are you?";char str2[] = "Thank you for your message";char buf[BUF_SIZE];pid_t pid, ret;ret = pipe(fds1); //創(chuàng)建管道1if(ret < 0){perror("pipe() error");exit(1);}ret = pipe(fds2); //創(chuàng)建管道2if(ret < 0){perror("pipe() error");exit(1);}pid = fork();if(pid == 0) //子進(jìn)程區(qū)域{write(fds1[1], str1, sizeof(str1)); //向管道1寫入字符串str1read(fds2[0], buf, BUF_SIZE); //從管道2讀出數(shù)據(jù)printf("Child proc output: %s\n", buf); //打印從管道讀出的字符串}else //父進(jìn)程區(qū)域{read(fds1[0], buf, BUF_SIZE); //從管道1讀出數(shù)據(jù)printf("Parent porc output: %s\n", buf);write(fds2[1], str2, sizeof(str2)); //向管道2寫入字符串str2sleep(3); //讓父進(jìn)程暫停3秒}return 0; }

• 運行結(jié)果

$ gcc pipe_duplex2.c -o pipe_duplex2

$ ./pipe_duplex2
Parent porc output: Who are you?
Child proc output: Thank you for your message

• 程序說明

1、子進(jìn)程 ——> 父進(jìn)程：通過數(shù)組 fds1 指向的管道1進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2、父進(jìn)程 ——> 子進(jìn)程：通過數(shù)組 fds2 指向的管道2進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

四 在網(wǎng)絡(luò)編程中運用管道實現(xiàn)進(jìn)程間通信

上一節(jié)我們學(xué)習(xí)了基于管道的進(jìn)程間通信方法，接下來將其運用到網(wǎng)絡(luò)編程代碼中。

4.1 保存消息的回聲服務(wù)器端

下面我們擴展上一篇博文中的服務(wù)器端程序 echo_mpserv.c，添加如下功能：

“將回聲客戶端傳輸?shù)淖址葱虮４娴轿募小?/span>”

????????我們將這個功能任務(wù)委托給另外的進(jìn)程。換言之，另行創(chuàng)建進(jìn)程，從向客戶端提供服務(wù)的進(jìn)程讀取字符串信息。這就涉及到進(jìn)程間通信的問題。為此，我們可以使用上面講過的管道來實現(xiàn)進(jìn)程間通信過程。下面給出示例程序。該示例可以與任意回聲客戶端配合運行，但我們將使用前一篇博文中介紹過的 echo_mpclient.c。

【提示】服務(wù)器端程序 echo_mpserv.c 和 客戶端程序 echo_mpclient.c，請參見下面的博文鏈接獲取。

Linux網(wǎng)絡(luò)編程 - 多進(jìn)程服務(wù)器端（2）

• echo_storeserv.c

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <arpa/inet.h> #include <sys/socket.h> #include <signal.h> #include <sys/wait.h>#define BUF_SIZE 1024void read_childproc(int sig); void error_handling(char *message);int main(int argc, char *argv[]) {int serv_sock, clnt_sock;struct sockaddr_in serv_adr; //服務(wù)器端地址信息變量struct sockaddr_in clnt_adr; //客戶端地址信息變量int fds[2]; //管道兩端的文件描述符socklen_t clnt_adr_sz;pid_t pid;struct sigaction act;char buf[BUF_SIZE] = {0};int str_len, state;if(argc!=2) {printf("Usage: %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}//初始化sigaction結(jié)構(gòu)體變量actact.sa_handler = read_childproc;sigemptyset(&act.sa_mask);act.sa_flags = 0;state = sigaction(SIGCHLD, &act, NULL); //注冊SIGCHLD信號的信號處理函數(shù)serv_sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(serv_sock==-1)error_handling("socket() error");memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family=AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr))==-1)error_handling("bind() error");if(listen(serv_sock, 5)==-1)error_handling("listen() error");//@override-添加將接收到的字符串?dāng)?shù)據(jù)保存到文件中的功能代碼pipe(fds);pid = fork(); //創(chuàng)建子進(jìn)程1if(pid == 0) //子進(jìn)程1運行區(qū)域{FILE *fp = fopen("echomsg.txt", "wt");char msgbuf[BUF_SIZE];int i, len;for(i=0; i<10; i++) //累計10次后關(guān)閉文件{len = read(fds[0], msgbuf, BUF_SIZE); //從管道讀出字符串?dāng)?shù)據(jù)fwrite(msgbuf, 1, len, fp); //將msgbuf緩沖區(qū)數(shù)據(jù)寫入打開的文件中}fclose(fp);close(fds[0]);close(fds[1]);return 1;}while(1){clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);if(clnt_sock == -1){continue;}elseprintf("New client connected from address[%s:%d], conn_id=%d\n", inet_ntoa(clnt_adr.sin_addr), ntohs(clnt_adr.sin_port), clnt_sock);pid = fork(); //創(chuàng)建子進(jìn)程2if(pid == -1){close(clnt_sock);continue;}else if(pid == 0) //子進(jìn)程2運行區(qū)域{close(serv_sock);while((str_len=read(clnt_sock, buf, BUF_SIZE)) != 0){write(clnt_sock, buf, str_len); //接收客戶端發(fā)來的字符串write(fds[1], buf, str_len); //向管道寫入字符串?dāng)?shù)據(jù)}printf("client[%s:%d] disconnected, conn_id=%d\n", inet_ntoa(clnt_adr.sin_addr), ntohs(clnt_adr.sin_port), clnt_sock);close(clnt_sock);close(fds[0]);close(fds[1]);return 2;}else{printf("New child proc ID: %d\n", pid);close(clnt_sock);}}close(serv_sock); //關(guān)閉服務(wù)器端的監(jiān)聽套接字close(fds[0]); //關(guān)閉管道的讀出端close(fds[1]); //關(guān)閉管道的寫入端return 0; }void read_childproc(int sig) {pid_t pid;int status;pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG); //等待子進(jìn)程退出printf("remove proc id: %d\n", pid); }void error_handling(char *message) {fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1); }

• 代碼說明

• 第55、56行：第55行創(chuàng)建管道，第56行創(chuàng)建負(fù)責(zé)保存數(shù)據(jù)到文件中的子進(jìn)程。
• 第57~72行：這部分代碼是第56行創(chuàng)建的子進(jìn)程運行區(qū)域。該代碼執(zhí)行區(qū)域從管道出口端 fds[0] 讀取數(shù)據(jù)并保存到文件中。另外，上述服務(wù)器端并不終止運行，而是不斷向客戶端提供服務(wù)。因此，數(shù)據(jù)在文件中累計到一定程度即關(guān)閉文件，該過程通過第63行的 for 循環(huán)完成。
• 第99行：第87行通過 fork 函數(shù)創(chuàng)建的子進(jìn)程將復(fù)制第55行創(chuàng)建的管道的文件描述符數(shù)組 fds。因此，可以通過管道入口端 fds[1] 向管道傳遞字符串?dāng)?shù)據(jù)。

• 運行結(jié)果

• 服務(wù)器端：echo_storeserv.c

$ gcc echo_storeserv.c -o storeserv
[wxm@centos7 echo_tcp]$ ./storeserv 9190
New client connected from address[127.0.0.1:60534], conn_id=6
New child proc ID: 5589
New client connected from address[127.0.0.1:60536], conn_id=6
New child proc ID: 5592
remove proc id: 5586
client[127.0.0.1:60534] disconnected, conn_id=6
remove proc id: 5589
client[127.0.0.1:60536] disconnected, conn_id=6
remove proc id: 5592

• 客戶端1：echo_mpclient.c

$ ./mpclient 127.0.0.1 9190
Connected...........
One
Message from server: One
Three
Message from server: Three
Five
Message from server: Five
Seven
Message from server: Seven
Nine
Message from server: Nine
Q

[wxm@centos7 echo_tcp]$

• 客戶端2：echo_mpclient.c

$ ./mpclient 127.0.0.1 9190
Connected...........
Two
Message from server: Two
Four
Message from server: Four
Six
Message from server: Six
Eight
Message from server: Eight
Ten
Message from server: Ten
Q
[wxm@centos7 echo_tcp]$

• 查看 echomsg.txt 文件內(nèi)容

[wxm@centos7 echo_tcp]$ cat echomsg.txt
One
Two
Three
Four
Five
Six
Seven
Eight
Nine
Ten
[wxm@centos7 echo_tcp]$

《提示》觀察示例 echo_storeserv.c 后，可以發(fā)現(xiàn)在 main 函數(shù)中，代碼內(nèi)容太長，有點影響代碼閱讀和理解。我們其實可以嘗試針對一部分功能以函數(shù)為模塊單位重構(gòu)代碼，有興趣的話，可以試一試，讓代碼結(jié)構(gòu)更加緊湊、美觀。

五 多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器端總結(jié)

??????? 前面我們已經(jīng)實現(xiàn)了多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器端模型，但它只是并發(fā)服務(wù)器模型中的其中之一。如果我們有如下的想法：

“我想利用進(jìn)程和管道編寫聊天室程序，使多個客戶端進(jìn)行對話，應(yīng)該從哪著手呢？”

??????? 若想僅用進(jìn)程和管道構(gòu)建具有復(fù)雜功能的服務(wù)器端，程序員需要具備熟練的編程技術(shù)和經(jīng)驗。因此，初學(xué)者應(yīng)用該模型擴展程序并非易事，希望大家不要過于拘泥。以后要說明的另外兩種并發(fā)服務(wù)器端模型在功能上更加強大，同時更容易實現(xiàn)我們的想法。

??????? 在實際網(wǎng)絡(luò)編程開發(fā)項目中，幾乎不會用到多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器端模型，因為它并不是一種高效的并發(fā)服務(wù)器模型，不適合實際應(yīng)用場景。即使我們在實際開發(fā)項目中不會利用多進(jìn)程模型構(gòu)建服務(wù)器端，但這些內(nèi)容我們還是有必要學(xué)習(xí)和掌握的。

????????最后跟大家分享一句他人的一條學(xué)習(xí)編程經(jīng)驗之談：“即使開始時只需學(xué)習(xí)必要部分，但最后也會需要掌握所有的內(nèi)容。”

《提示》另外兩種比較高效的并發(fā)服務(wù)器端模型為：I/O 復(fù)用、多線程服務(wù)器端。

六 習(xí)題

1、什么是進(jìn)程間通信？分別從概念上和內(nèi)存的角度進(jìn)行說明。

答：從概念上講，進(jìn)程間通信是指兩個進(jìn)程之間交換數(shù)據(jù)的過程。從內(nèi)存的角度上講，就是兩個進(jìn)程共享的內(nèi)存，通過這個共享的內(nèi)存區(qū)域，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而這個共享的內(nèi)存區(qū)域是在操作系統(tǒng)內(nèi)核區(qū)中開辟的。

2、進(jìn)程間通信需要特殊的IPC機制，這是由操作系統(tǒng)提供的。進(jìn)程間通信時為何需要操作系統(tǒng)的幫助？

答：兩個進(jìn)程之間要想交換數(shù)據(jù)，需要一塊共享的內(nèi)存，但由于每個進(jìn)程的地址空間都是相互獨立的，因此需要操作系統(tǒng)的幫助。也就是說，兩個進(jìn)程共享的內(nèi)存空間必須由操作系統(tǒng)來提供。

3、“管道”是典型的IPC技術(shù)。關(guān)于管道，請回答如下問題。

a. 管道是進(jìn)程間交換數(shù)據(jù)的路徑。如何創(chuàng)建該路徑? 由誰創(chuàng)建？

b. 為了完成進(jìn)程間通信，2個進(jìn)程需同時連接管道。那2個進(jìn)程如何連接到同一管道？

c. 管道允許進(jìn)行2個進(jìn)程間的雙向通信。雙向通信中需要注意哪些內(nèi)容？

• a：在父進(jìn)程（或主進(jìn)程）中調(diào)用 pipe 函數(shù)創(chuàng)建管道。實際管道的創(chuàng)建主體是操作系統(tǒng)，管道不是屬于進(jìn)程的資源，而是屬于操作系統(tǒng)的資源。
• b：pipe 函數(shù)通過傳入?yún)?shù)返回管道的出入口兩端的文件描述符。當(dāng)調(diào)用 fork 函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程時，這兩個文件描述符會被復(fù)制到子進(jìn)程中，因此，父子進(jìn)程可以同時訪問同一管道。
• c：數(shù)據(jù)進(jìn)入管道后就變成了無主數(shù)據(jù)。因此，只要有數(shù)據(jù)流入管道，任何進(jìn)程都可以讀取數(shù)據(jù)。因此，要合理安排管道中數(shù)據(jù)的寫入和讀出順序。

4、編寫示例復(fù)習(xí)IPC技術(shù)，使2個進(jìn)程相互交換3次字符串。當(dāng)然，這兩個進(jìn)程應(yīng)具有父子關(guān)系，各位可指定任意字符串。

答：問題剖析：兩個父子進(jìn)程要互相交換數(shù)據(jù)，可以通過管道方式實現(xiàn)進(jìn)程間通信，而通過創(chuàng)建兩個管道可以實現(xiàn)進(jìn)程間的雙向通信。我們假設(shè)是子進(jìn)程先向父進(jìn)程發(fā)送消息，然后父進(jìn)程回復(fù)消息，如此往復(fù)3次后結(jié)束運行。

• pipe_procipc.c

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h>#define BUF_SIZE 30 #define N 3int main(int argc, char *argv[]) {int fds1[2], fds2[2];pid_t pid;char buf[BUF_SIZE] = {0};int i, len;pipe(fds1); //創(chuàng)建管道1pipe(fds2); //創(chuàng)建管道2pid = fork(); //創(chuàng)建子進(jìn)程if(pid == 0) //子進(jìn)程執(zhí)行區(qū)域{for(i=0; i<N; i++){printf("Child send message: ");fgets(buf, BUF_SIZE, stdin);write(fds1[1], buf, strlen(buf)); //向管道1中寫入字符串len = read(fds2[0], buf, BUF_SIZE); //從管道2中讀出字符串buf[len] = '\0'; //添加字符串結(jié)束符'\0'printf("Child recv message: %s\n", buf);}close(fds1[0]); close(fds1[1]);close(fds2[0]); close(fds2[1]);return 1;}else //父進(jìn)程執(zhí)行區(qū)域{for(i=0; i<N; i++){len = read(fds1[0], buf, BUF_SIZE); //從管道1中讀出字符串buf[len] = '\0'; //添加字符串結(jié)束符'\0'printf("Parent recv message: %s", buf); printf("Parent resp message: ");fgets(buf, BUF_SIZE, stdin);write(fds2[1], buf, strlen(buf)); //向管道2中寫入字符串}}close(fds1[0]); close(fds1[1]);close(fds2[0]); close(fds2[1]);return 0; }

• 運行結(jié)果

$ gcc pipe_procipc.c -o pipe_procipc
[wxm@centos7 pipe]$ ./pipe_procipc
Child send message: Hi,I`m child proc
Parent recv message: Hi,I`m child proc
Parent resp message: Hi,I`m parent proc
Child recv message: Hi,I`m parent proc

Child send message: Nice to meet you
Parent recv message: Nice to meet you
Parent resp message: Nice to meet you, too
Child recv message: Nice to meet you, too

Child send message: Good bye!
Parent recv message: Good bye!
Parent resp message: Bye bye!
Child recv message: Bye bye!

[wxm@centos7 pipe]$

參考

《TCP-IP網(wǎng)絡(luò)編程(尹圣雨)》第11章 - 進(jìn)程間通信

《Linux C編程從基礎(chǔ)到實踐(程國鋼、張玉蘭)》第9章 - Linux的進(jìn)程同步機制——管道和IPC

《TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程》課后練習(xí)答案第一部分11~14章 尹圣雨

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux网络编程 - 在服务器端运用进程间通信之管道(pipe)的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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