管道 - 進程間通信教學

管道是兩個或更多相關或相關進程之間的通信媒介。它可以在一個進程內，也可以在子進程和父進程之間進行通信。通信也可以是多層次的，如父進程，子進程和子進程之間的溝通等。通信是通過一個過程寫入管道和從管道讀取來實現的。要實現管道系統調用，請創建兩個文件，一個寫入文件，另一個從文件讀取。

管道機制可以用一個實時的場景來看，比如用管子把水灌進一個容器裏。填充過程可以理解爲是寫入管道，讀取過程只不過是從管道中取出。這意味着一個輸出(水)是爲另一個(桶)輸入的。參考下圖 -

#include<unistd.h>

int pipe(int pipedes[2]);

這個系統調用將創建一個單向通信的管道，即它創建兩個描述符，第一個連接從管道讀取，另一個連接寫入管道。

描述符pipedes [0]用於讀取，pipedes [1]用於寫入。無論寫入pipedes [1]什麼都可以從pipedes [0]中讀取。

這個調用在成功時將返回0，在失敗的情況下爲-1。要知道失敗的原因，請檢查errno變量或perror()函數。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

即使文件的基本操作是讀寫，在完成所需的操作之後，在執行操作和關閉文件之前，必須打開文件。通常，默認情況下，爲每個進程打開3個描述符，分別用於輸入(標準輸入 - 標準輸入)，輸出(標準輸出 - 標準輸出)和錯誤(標準錯誤 - 標準錯誤)，分別具有文件描述符0,1和2。

這個系統調用將返回一個文件描述符，用於讀/寫/查找(lseek)的進一步文件操作。通常文件描述符從3開始，隨着打開的文件數量增加一個數字。

傳遞給開放系統調用的參數是路徑名(相對路徑或絕對路徑)，標誌提到了打開文件的目的(比如打開O_RDONLY進行讀取，O_RDONR，讀寫O_RDWR，以追加到現有的文件 O_APPEND，創建文件，如果不存在與O_CREAT等)和所需的模式提供讀/寫/執行權限的用戶或所有者/組/其他人。模式可以用符號來描述。

讀使用4表示，寫使用2表示和執行使用1表示。

這個系統調用在成功時返回新的文件描述符id和-1以防出錯。錯誤的原因可以用errno變量或perror()函數來標識。

#include<unistd.h>

int close(int fd)

上面的系統調用關閉已經打開的文件描述符。這意味着文件不再被使用，相關的資源可以被任何其他進程重用。這個系統調用在成功時返回零，在出錯時返回-1。錯誤的原因可以用errno變量或perror()函數來標識。

#include<unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)

上面的系統調用是從指定的文件中讀取文件描述符fd的參數，具有分配內存(靜態或動態)的正確緩衝區以及緩衝區的大小。

文件描述符ID用於標識在調用open()或pipe()系統調用之後返回的相應文件。從文件中讀取文件之前，需要打開該文件。它會在調用pipe()系統調用的情況下自動打開。

這個調用將返回成功時讀取的字節數(或在遇到文件結尾的情況下爲零)，在失敗的情況下返回-1。返回字節可以小於請求的字節數，以防萬一沒有數據可用或文件關閉。

要知道失敗的原因，請檢查errno變量或perror()函數。

#include<unistd.h>

ssize_t write(int fd, void *buf, size_t count)

上面的系統調用是使用文件描述符fd的參數，具有已分配內存(靜態或動態)和緩衝區大小的適當緩衝區來寫入指定文件。

文件描述符ID用於標識在調用open()或pipe()系統調用之後返回的相應文件。

在寫入文件之前需要打開該文件。它會在調用pipe()系統調用的情況下自動打開。

這個調用將返回成功寫入的字節數(或者在沒有寫入的情況下爲零)，如果失敗則返回-1。正確的錯誤碼設置在失敗的情況下。

要知道失敗的原因，請檢查errno變量或perror()函數。

示例程序

以下是一些示例程序。

示例程序1 - 使用管道編寫和讀取兩條消息的程序。

算法

第1步 - 創建一個管道。
第2步 - 發送消息到管道。
第3步 - 從管道中檢索消息並將其寫入標準輸出。
第4步 - 發送另一條消息到管道。
第5步 - 從管道中檢索消息並將其寫入標準輸出。
注 - 檢索消息也可以在發送所有消息之後完成。

源代碼:simplepipe.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main() {
   int pipefds[2];
   int returnstatus;
   char writemessages[2][20]={"Hi", "Hello"};
   char readmessage[20];
   returnstatus = pipe(pipefds);

   if (returnstatus == -1) {
      printf("Unable to create pipe\n");
      return 1;
   }

   printf("Writing to pipe - Message 1 is %s\n", writemessages[0]);
   write(pipefds[1], writemessages[0], sizeof(writemessages[0]));
   read(pipefds[0], readmessage, sizeof(readmessage));
   printf("Reading from pipe – Message 1 is %s\n", readmessage);
   printf("Writing to pipe - Message 2 is %s\n", writemessages[0]);
   write(pipefds[1], writemessages[1], sizeof(writemessages[0]));
   read(pipefds[0], readmessage, sizeof(readmessage));
   printf("Reading from pipe – Message 2 is %s\n", readmessage);
   return 0;
}

注 - 理想情況下，每個系統調用都需要檢查返回狀態。爲了簡化這個過程，所有的調用都沒有進行檢查。

執行步驟

首先編譯 -

$ gcc -o simplepipe simplepipe.c

執行輸出結果如下 -

Writing to pipe - Message 1 is Hi
Reading from pipe – Message 1 is Hi
Writing to pipe - Message 2 is Hi
Reading from pipe – Message 2 is Hell

示例程序2 - 使用父進程和子進程通過管道寫入和讀取兩條消息的程序。

算法
第1步 - 創建一個管道。
第2步 - 創建一個子進程。
第3步 - 父進程寫入管道。
第4步 - 子進程從管道中檢索消息並將其寫入標準輸出。
第5步 - 再次重複步驟3和步驟4。

源代碼:pipewithprocesses.c -

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main() {
   int pipefds[2];
   int returnstatus;
   int pid;
   char writemessages[2][20]={"Hi", "Hello"};
   char readmessage[20];
   returnstatus = pipe(pipefds);
   if (returnstatus == -1) {
      printf("Unable to create pipe\n");
      return 1;
   }
   pid = fork();

   // Child process
   if (pid == 0) {
      read(pipefds[0], readmessage, sizeof(readmessage));
      printf("Child Process - Reading from pipe – Message 1 is %s\n", readmessage);
      read(pipefds[0], readmessage, sizeof(readmessage));
      printf("Child Process - Reading from pipe – Message 2 is %s\n", readmessage);
   } else { //Parent process
      printf("Parent Process - Writing to pipe - Message 1 is %s\n", writemessages[0]);
      write(pipefds[1], writemessages[0], sizeof(writemessages[0]));
      printf("Parent Process - Writing to pipe - Message 2 is %s\n", writemessages[1]);
      write(pipefds[1], writemessages[1], sizeof(writemessages[1]));
   }
   return 0;
}

執行步驟

首先編譯 -

$ gcc pipewithprocesses.c –o pipewithprocesses

執行輸出結果如下 -

Parent Process - Writing to pipe - Message 1 is Hi
Parent Process - Writing to pipe - Message 2 is Hello
Child Process - Reading from pipe – Message 1 is Hi
Child Process - Reading from pipe – Message 2 is Hello

使用管道雙向通信

管道通信僅被視爲單向通信，即，父進程寫入和子進程讀取，或者相反，但不是兩者。但是，如果父子進程雙方都需要同時寫入和讀取管道，那麼解決方案就是使用管道的雙向通信。建立雙向通信需要兩根管道。

以下是實現雙向通信的步驟 -

第1步 - 創建兩個管道。第一個是父進程寫入和子進程讀取，如:pipe1。第二個是爲子進程寫入和父進程讀取，如:pipe2。
第2步 - 創建一個子進程。
第3步 - 關閉不需要的結束，因爲每個通信只需要一端。
第4步 - 在父進程中關閉不需要的結束，讀取pipe1的結尾並寫入pipe2的結尾。
第5步 - 關閉子進程中的不需要的結束，寫入pipe1的結尾和讀取pipe2的結束。
第6步 - 根據需要進行通訊。

示例程序
示例程序1 - 使用管道實現雙向通信。

算法
第1步 - 創建pipe1爲父進程寫和子進程讀取。
第2步 - 爲要寫入的子進程和要讀取的父進程創建pipe2。
第3步 - 關閉從父進程和子進程一側管道不需要的一端。
第4步 - 父進程寫一個消息和子進程讀取並顯示在屏幕上。
第5步 - 子進程寫入消息和父進程讀取並顯示在屏幕上。

源代碼:twowayspipe.c -

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main() {
   int pipefds1[2], pipefds2[2];
   int returnstatus1, returnstatus2;
   int pid;
   char pipe1writemessage[20] = "Hi";
   char pipe2writemessage[20] = "Hello";
   char readmessage[20];
   returnstatus1 = pipe(pipefds1);

   if (returnstatus1 == -1) {
      printf("Unable to create pipe 1 \n");
      return 1;
   }
   returnstatus2 = pipe(pipefds2);

   if (returnstatus2 == -1) {
      printf("Unable to create pipe 2 \n");
      return 1;
   }
   pid = fork();

   if (pid != 0) // Parent process {
      close(pipefds1[0]); // Close the unwanted pipe1 read side
      close(pipefds2[1]); // Close the unwanted pipe2 write side
      printf("In Parent: Writing to pipe 1 – Message is %s\n", pipe1writemessage);
      write(pipefds1[1], pipe1writemessage, sizeof(pipe1writemessage));
      read(pipefds2[0], readmessage, sizeof(readmessage));
      printf("In Parent: Reading from pipe 2 – Message is %s\n", readmessage);
   } else { //child process
      close(pipefds1[1]); // Close the unwanted pipe1 write side
      close(pipefds2[0]); // Close the unwanted pipe2 read side
      read(pipefds1[0], readmessage, sizeof(readmessage));
      printf("In Child: Reading from pipe 1 – Message is %s\n", readmessage);
      printf("In Child: Writing to pipe 2 – Message is %s\n", pipe2writemessage);
      write(pipefds2[1], pipe2writemessage, sizeof(pipe2writemessage));
   }
   return 0;
}

執行步驟

首先編譯 -

$ gcc twowayspipe.c –o twowayspipe

執行輸出結果如下 -

In Parent: Writing to pipe 1 – Message is Hi
In Child: Reading from pipe 1 – Message is Hi
In Child: Writing to pipe 2 – Message is Hello
In Parent: Reading from pipe 2 – Message is Hello

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