进程-IPC 管道 (一)

详见:https://github.com/ZhangzheBJUT/linux/blob/master/IPC(%E4%B8%80).md

一 IPC 概述

进程间通信就是在不同进程之间传播或交换信息，那么不同进程之间存在着什么两方都能够訪问的介质呢？进程的用户空间是互相独立的，一般而言是不能互相訪问的，唯一的例外是共享内存区。系统空间是“公共场所”。所以内核显然能够提供这种条件，例如以下图所看到的。

除此以外，那就是两方都能够訪问的外设了。两个进程能够通过磁盘上的普通文件交换信息。或者通过“注冊表”或其他数据库中的某些表项和记录交换信息。

linux下的进程通信手段基本上是从Unix平台上的进程通信手段继承而来的。而对Unix发展做出重大贡献的两大主力AT&T的贝尔实验室及BSD（加州大学伯克利分校的伯克利软件公布中心）。它们在进程间通信方面的側重点有所不同。前者对Unix早期的进程间通信手段进行了系统的改进和扩充，形成了 system
V IPC。通信进程局限在单个计算机内；后者则跳过了该限制。形成了基于套接字 socket的进程间通信机制。

Linux 则把两者继承了下来，例如以下图示：

Unix  IPC包含： 管道、FIFO、信号；
System V IPC包含：System V消息队列、System V信号灯、System V共享内存区；
Posix IPC包含： Posix消息队列、Posix信号灯、Posix共享内存区。

有两点须要简单说明一下：
    1.因为Unix版本号的多样性。电子电气project协会（IEEE）开发了一个独立的Unix标准，这个新的ANSI Unix标准被称为计算
      机环境的可移植性操作系统界面（PSOIX）。



现有大部分Unix和流行版本号都是遵循POSIX标准的，而Linux从一開始就遵循POSIX标准。
    2.BSD并非没有涉足单机内的进程间通信（socket本身就能够用于单机内的进程间通信）。其实。非常多Unix版本号的单
      机IPC留有BSD的痕迹，如4.4BSD支持的匿名内存映射、4.3+BSD对可靠信号语义的实现等等。

上图给出了linux 所支持的各种IPC手段，为了避免概念上的混淆，在尽可能少提及Unix的各个版本号的情况下，全部问题的讨论终于都会归结到linux环境下的进程间通信上来。而且。对于linux所支持通信手段的不同实现版本号（如对于共享内存来说，有Posix共享内存区以及System V共享内存区两个实现版本号）以下将主要介绍Posix API。

linux下进程间通信的几种主要手段：

• 管道（Pipe）及命名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信;命名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还同意无亲缘关系进程间的通信。
• 信号（Signal）：信号是比較复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生。除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux 除了支持Unix早期信号语义函数signal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上。该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又可以统一对外接口，用sigaction函数又一次实现了signal函数）。
• 信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
• 共享内存：使得多个进程能够訪问同一块内存空间。是最快的可用IPC形式,是针对其他通信机制执行效率较低而设计的。
  
  它往往与其他通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及相互排斥。
• 消息队列：消息队列是消息的链接表。包含Posix消息队列和system V消息队列。有足够权限的进程能够向队列中加入消息，被赋予读权限的进程则能够读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道仅仅能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
• 套接字（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的。但如今一般能够移植到其他类Unix系统上。Linux和System V的变种都支持套接字。

二
管道

当从一个进程连接数据流到还有一个进程时，使用术语管道(pipe)。

一般是把一个进程的输出通过管道连接到还有一个进程的输入。

对于shell命令来说，命令的连接是通过管道操作符来完毕的。例如以下所看到的：

  cmd1 | cmd2    

  shell负责安排两个命令的标准输入和标准输出
  cmd1的标准输入来自终端键盘
  cmd1的标准输出传递给cmd2,作为它的标准输入
  cmd2的标准输出连接到终端屏幕

shell所做的工作实际上是对标准输入和标准输出流进行又一次连接，使数据流从键盘输入通过两个命令终于输出到屏幕上。

2.1.poen与pclose函数

函数原型:

#include <stdio.h>
FILE *popen(const char*command,const char *open_mode);
int pclose(FILE *stream_to_close);

函数描写叙述:

popen      函数同意一个程序将还有一个程序作为新进程来启动。并能够传递数据给它或者通过它来接收数据。
command    字符串是要运行的程序名和对应的參数。这个命令被送到 /bin/sh 以 -c 參数运行, 即由 shell来运行。

open_mode  必须为"r"或者"w"，二者仅仅能选择一个，函数的返回值FILE*文件流指针。通过经常使用的stdio库函数
           (如fread)来读取被调用程序的输出。



假设open_mode是"w"，调用程序就能够用fwrite调用向被调用程序发送
           数据。而被调用程序能够在自己的标准输入上读取数据。

补:/bin/sh -c
        Read commands from the command_string operand instead of from the standard input.
        Special  parameter 0 will be  set from the command_name operand and the positional
        parameters ($1, $2, etc.) set from the remaining argument operands.

读取外部程序的输出：

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

    int main()
    {
        FILE *read_fp;
        char buffer[BUFSIZ+1];
        int chars_read;

        memset(buffer,‘\0‘,sizeof(buffer));
        read_fp = popen("uname -a","r");
        if (read_fp !=NULL)
        {
            chars_read = fread(buffer,sizeof(char),BUFSIZ,read_fp);
            if (chars_read>0)
            {
                printf("output was:-\n%s\n",buffer);
            }

            pclose(read_fp);
            exit(EXIT_SUCCESS);
        }
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

将输出发送到外部程序:

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

    int main()
    {
        FILE *write_fp;
        char buffer[BUFSIZ+1];

        sprintf(buffer,"Once upon a time ,thera was ...\n");
        write_fp = popen("od -c","w");

        if (write_fp != NULL)
        {
            fwrite(buffer,sizeof(char),strlen(buffer),write_fp);
            pclose(write_fp);
            exit(EXIT_SUCCESS);
        }
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

注意:popen()函数的返回值是一个普通的标准I/O流,且它仅仅能用pclose()函数来关闭,而不是fclose()。

popen函数执行一个程序时。它首先启动shell,即系统中的sh命令，然后将command字符串作为一个參数传递给它，由shell来负责分析命令字符串。它同意我们通过popen启动很复杂的shell命令。使用shell的一个不太好的影响是。针对每一个popen的调用，不仅要启动一个被请求的程序，还要启动一个shell。即每一个popen调用将多启动两个进程，从节省资源的角度来看，popen函数的调用成本略高，并且对目标命令的调用比正常方式要慢一些。

pclose调用仅仅在popen启动的进程结束后才返回。假设调用pclose时它仍在执行，pclose调用将等待该进程的结束。

2.2.pipe函数

底层pipe函数，通过这个函数在两个程序之间传递数据不须要启动一个shell来解释请求命令，它同一时候还提供了对读写数据的很多其它控制。

函数原型:

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

函数描写叙述:

pipe 函数參数是一个由两个整数类型的文件描写叙述符组成的数组的指针。

该函数在数组中填上两个新的文件描写叙述符后返回0,假设
失败则返回-1,并设置error来表明失败的原因。
 常见的错误：
      EMFILE:进程使用的文件描写叙述符过多
      ENFILE:系统的文件表已满
      EFAULT:文件描写叙述符无效
两个返回的文件描写叙述符以一种特殊的方式连接起来，写到file_descriptor[1]的全部数据都能够从file_descriptor[0]读出来。

数据基于先进先出的原则进行处理，意味着假设你把1,2,3写到file_descriptor[1],从file_descriptior[0]读取到的数据也
是1,2,3。

注意:调用pipe函数时在内核中开辟一块缓冲区（称为管道）用于通信，它有一个读端一个写端，然后通过file_descriptor 參数传出给用户程序两个文件描写叙述符。file_descriptor[0]指向管道的读端，file_descriptor[1]指向管道的写端。

在用户程序看起来管道就像一个打开的文件，通过read(file_descriptor[0])或者write(file_descriptor[1])来向这个文件读写数据，事实上是在读写内核缓冲区。两个文件描写叙述符被强制规定file_descriptor[0] 仅仅能指向管道的读端。假设进行写操作就会出现错误；同理 file_descriptor[1]仅仅能指向管道的写端。假设进行读操作就会出现错误。pipe使用的是文件描写叙述符而不是文件流，所以必须使用底层的read和write调用来訪问数据，而不是用文件流函数fread和fwrite。

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

    int main()
    {
        int data_processed;
        int file_pipes[2];
        const char some_data[] = "1233";
        char buffer[BUFSIZ+1];

        memset(buffer,‘\0‘,sizeof(buffer));

        if (pipe(file_pipes)==0)
        {
            data_processed = write(file_pipes[1],some_data,strlen(some_data));
            printf("Wrote %d bytes \n",data_processed);

            data_processed = read(file_pipes[0],buffer,BUFSIZ);
            printf("Read %d bytes \n",data_processed);
            exit(EXIT_SUCCESS);
        }
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

程序说明: 这个程序用数组 file_pipes 中的两个文描写叙述符创建一个管道，然后它用文件描写叙述符 file_pipes[1] 向管道中写数据
，再从 file_pipes[0] 读回数据。

管道的真正优势体如今:两个进程之间传递数据。 当程序用fork调用创建新进程时。原先打开的文件描写叙述符仍将保持打开状态。假设在原先的进程中创建一个管道，然后再调用fork创建新进程，即能够通过管道在两个进程之间传递数据，例如以下图所看到的:

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

int main()
{
    int data_processed;
    int file_pipes[2];

    const char some_data[] = "1233";
    char buffer[BUFSIZ+1];
    pid_t fork_result;

    memset(buffer,‘\0‘,sizeof(buffer));

    if (pipe(file_pipes)==0)
    {
        fork_result  = fork();

        if (fork_result ==-1)
        {
            fprintf(stderr,"Fork failed");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        if (fork_result ==0)
        {
            close(file_pipes[1]);
            sleep(2);
            data_processed = read(file_pipes[0],buffer,BUFSIZ);
            printf("Read %d bytes :%s \n",data_processed,buffer);

        }
        else
        {
            close(file_pipes[0]);
            data_processed = write(file_pipes[1],some_data,strlen(some_data));
            printf("Wrote %d bytes \n",data_processed);
        }

        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    exit(EXIT_FAILURE);
}

程序说明: 程序首先用pipe函数创建一个管道。接着用fork调用创建一个新进程。假设fork调用成功，父进程首先关闭读操作符，然后写数据到管道中，而子进程首先关闭写操作符，然后从管道中读取数据。父子进程都在仅仅调用了一次write或read之后就退出。

其原理例如以下图所看到的:

系统维护一个文件的文件描写叙述符表计数，父子进程都各自有指向同样文件的文件描写叙述符，当关闭一个文件描写叙述符时，对应计数减1，当这个计数减到0时，文件就被关闭。因此尽管父进程关闭了其文件描写叙述符 file_pipes[0]，可是这个文件的文件描写叙述符计数还没等于0，所以子进程还能够读取。也能够这么理解，父进程和子进程都有各自的文件描写叙述符，尽管在父进程中关闭了file_pipes[0]，可是对子进程中的 file_pipes[0] 没有影响。

注:1.文件表中的每一项都会维护一个引用计数。标识该表项被多少个文件描写叙述符(fd)引用，在引用计数为0的时候，表项才会被删除。所以调用close(fd)关闭子进程的文件描写叙述符，仅仅会降低引用计数。可是不会使文件表项被清除。所以父进程依然能够訪问。

2.当没有数据可读时。read调用一般会堵塞。即它将暂停进程来等待直到有数据到达为止。

假设管道的还有一端已被关闭。也就是说没有进程打开这个管道并向它写数据了，此时read调用将会被堵塞。注意，这与读取一个无效的文件描写叙述符不同。read把无效的文件描写叙述符看做一个错误并返回-1.

在pipe使用中，也能够在子进程中执行一个与其父进程全然不同的还有一个程序，而不是只执行一个同样的程序。这个可由exec调用来实现。在上面的样例中，由于子进程本身有 file_pipes 数据的一个副本。所以这并不成为问题。但经过exec调用后，原来的进程已经被新的子进程替换了。为解决问题，能够将文件描写叙述符（实际上是一个数字)作为一个參数传递给exec启动程序。具体实现见:pipe3.c 和 pipe4.c

2.3.命名管道FIFO

无名管道仅仅能用在父子进程之间，这些程序由一个共同的祖先进程启动。但假设想在不同进程之间交换数据，这就不太方便。而这能够使用FIFO文件来完毕在不相关的进程之间交换数据，它通常叫做命名管道（named pipe)。

命名管道是一种特殊类型的文件，它在文件系统中以文件名称的形式存在，但它的行为却和已经看到过的没有名字的管道类似。

使用以下两个函数能够创建一个FIFO文件:

int mkfifo(const char*filename,mode_t mode)
int mknod(const char* filename,mode_t mode | S_IFIFO,(dev_t)0);

命名管道的一个很实用特点是：因为它们出如今文件系统中，所以它们能够像寻常的文件名称一样在命令中使用，使用FIFO仅仅是为了单向传递数据。

用法例如以下:

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int main()
{
    int res = mk  fifo("/tmp/my_fifo",0777);
    if (res == 0)
    {
        printf("FIFO created.\n");
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

查看执行结果: 

注:输出结果中的第一个字符为p，表示这是一个管道文件。不同的用户掩码最后得到的文件訪问权限是不同的(我的用户掩码为0002）。

与通过pipe调用创建管道不同，FIFO是以命名文件的形式存在，而不是打开的文件描写叙述符。所以对它进行读写操作必须先打开它。FIFO也用open和close函数打开和关闭。 对FIFO文件来说。传递给open调用的是FIFO的路径名，而不是一个正常的文件。

打开一个FIFO文件的方法例如以下:

open(const char*path,O_RDONLY);
    在这样的情况下，open调用将堵塞。除非有一个进程以写的方式打开同一个FIFO,否则它不会返回。
open(const char* path,O_RDONLY|O_NONBLOCK)
    在这样的情况下，即使没有其他进程以写方式打开FIFO,open调用也将成功并立马返回。
open(const char *path,O_WRONLY)
    在这样的情况下。open调用将会堵塞，直到有一个进程以读方式打开一个FIFO为止。
open(const char*path,O_WRONLY|O_NONBLOCK)
    这个函数调用总是立马返回，但假设没有一个进程以读方式打开FIFO文件，open调用将返回一个错误而且FIFO也不会被打开。
    假设确实有一个进程以读方式打开FIFO文件，那么我们就能够通过它返回的文件描写叙述符对这个FIFO文件进行读写操作。

注意:

• 使用open打开FIFO文件程序不能以O_RDWR模式打开FIFO文件进行读写操作。这样做的后果是未明白定义。假设确实须要在程序之间双向传递数据，最好使用一对FIFO。
• O_NONBLOCK 分别搭配O_RDONLY 和 O_WRONLY在效果上是不同的，假设没有进程以读方式打开管道。非堵塞写方式的open调用将失败。但非堵塞读方式的open调用总是成功。

  close调用的行为并不受 O_NONBLOCK标志的影响。

  #include <unistd.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <stdio.h>
  #include <string.h>
  #include <fcntl.h>
  #include <sys/types.h>
  #include <sys/stat.h>
  
  #define FIFO_NAME  "/tmp/my_fifo"
  
  int main(int argc,char* argv[])
  {
      int res;
      int open_mode = 0;
      int i;
  
      if (argc <2)
      {
          fprintf(stderr, "Usage:%s <some combination of             O_RDONLY O_WRONLY O_NONBLOCK>\n",*argv );
          exit(EXIT_FAILURE);
      }
  
      for (i = 1; i < argc; ++i)
      {
          if (strncmp(*++argv,"O_RDONLY",8) == 0)
          {
              open_mode |= O_RDONLY;
          }
          if (strncmp(*argv,"O_WRONLY",8) == 0    )
          {
              open_mode |= O_WRONLY;
          }
          if (strncmp(*argv,"O_NONBLOCK",10) == 0)
          {
              open_mode |= O_NONBLOCK;
          }
      }
  
      if (access(FIFO_NAME,F_OK) == -1)
      {
          res = mkfifo(FIFO_NAME,0777);
  
          if (res !=0)
          {
              fprintf(stderr,"Could not create fifo %s\n",FIFO_NAME);
              exit(EXIT_FAILURE);
          }
      }
  
      printf("Process %d opening FIFO\n",getpid());
      res = open(FIFO_NAME,open_mode);
      printf("Process %d result %d\n",getpid(),res);
      sleep(5);
      if (res != -1)
      {
          (void)close(res);
      }
      printf("Process %d finished\n",getpid());
      exit(EXIT_SUCCESS);
  }
  

使用 O_NONBLOCK模式会影响到对FIFO的read和write调用。

小结:

1. 从FIFO中读取数据

• 假设有进程写打开FIFO，且当前FIFO为空，则对于设置了堵塞标志的读操作来说。将一直堵塞下去，直到有数据能够读时才继续运行；对于没有设置堵塞标志的读操作来说，则返回0个字节，当前errno值为EAGAIN，提示以后再试。
• 对于设置了堵塞标志的读操作来说。造成堵塞的原因有两种：

  1、当前FIFO内有数据，但有其他进程在读这些数据；

  2、FIFO本身为空。

  解堵塞的原因是：FIFO中有新的数据写入，不论写入数据量的大小。也不论读操作请求多少数据量，仅仅要有数据写入就可以。

• 读打开的堵塞标志仅仅对本进程第一个读操作施加作用。假设本进程中有多个读操作序列，则在第一个读操作被唤醒并完毕读操作后，其他将要运行的读操作将不再堵塞，即使在运行读操作时，FIFO中没有数据也一样（此时，读操作返回0）。
• 假设没有进程写打开FIFO。则设置了堵塞标志的读操作会堵塞。
• 假设FIFO中有数据。则设置了堵塞标志的读操作不会由于FIFO中的字节数少于请求的字节数而堵塞，此时。读操作会返回FIFO中现有的数据量。

2. 从FIFO中写入数据

FIFO的长度是须要考虑的一个非常重要因素。

系统对任一时刻在一个FIFO中能够存在的数据长度是有限制的。它由#define PIPE_BUF定义。在头文件limits.h 中。在Linux和其他类UNIX系统中。它的值一般是4096字节。Red
Hat Fedora9 下是4096，但在某些系统中它可能会小到512字节。

尽管对于仅仅有一个FIFO写进程和一个FIFO读进程而言，这个限制并不重要，但仅仅使用一个FIFO并同意多个不同进程向一个FIFO读进程发送写请求的情况是非经常见的。

假设几个不同的程序尝试同一时候向FIFO写数据，是否能保证来自不同程序的数据块不相互交错就非常关键了。

也就是说，必须保证每一个写操作“原子化”。

• 对于设置了堵塞标志的写操作：
  • 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。假设此时管道空暇缓冲区不足以容纳要写入的字节数，则进入睡眠，直到当缓冲区中可以容纳要写入的字节数时，才開始进行一次性写操作。
    
    即写入的数据长度小于等于PIPE_BUF时，那么或者写入所有字节。或者一个字节都不写入。它属于一个一次性行为，详细要看FIFO中是否有足够的缓冲区。
  • 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空暇区域。写进程就会试图向管道写入数据，写操作在写完所有请求的数据后返回。
• 对于没有设置堵塞标志的写操作：
  • 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。假设当前FIFO空暇缓冲区可以容纳请求写入的字节数，写完后成功返回。假设当前FIFO空暇缓冲区不可以容纳请求写入的字节数，则返回EAGAIN错误。提示以后再写。
  • 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时。linux将不再保证写入的原子性。在写满全部FIFO空暇缓冲区后，写操作返回。

• 信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。