进程通信——匿名管道

有的时候在程序的开发过程中，两个进程之间会有数据的交互。信号的机制能够实现进程通信。它通过 “中断--响应” 的异步模式来工作。但作为通信来讲，信号还是远远不够的。因为它不能够携带任何其他的信息。只利用信号机制来实现进程通信显得捉襟见肘，并且信号的优势并不此。所以必须开发新的进程间通信的方法。本文所学习的 "匿名管道" 便是其中的一种最简单的方法。

基本概念

在讲管道的基本概念之前，首先提一个问题。如果让你来设计进程通信的方式，你会怎么做？最简单的方式莫过于两个进程打开同一个文件，这样就可以通过不断的读写操作来实现信息的交互。管道的概念与原理与上面的方法类似但不完全一样。下面来看下创建管道的函数 pipe

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);
                    返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1

该函数返回两个文件描述符 fd[0] 与 fd[1]。规定：fd[0]用于读操作，fd[1]用于写操作。在创建管道之后，通常的做法是调用 fork 函数，那么子进程也就继承了父进程的fd[0]与fd[1]。所以，这样父进程与子进程就通过这两个文件描述符建立了一个通信的 "管道" 。在通信时，父进程与子进程要么一个关闭读端要么一个关闭写端来实现 半双工 方式的数据传递。即数据流只能往一个方向走而不能同时通信。下面的这个图有助于理解 管道 的这种工作方式：

之所以称之为 "匿名" 是因为这种技术只能适用在具有亲缘关系的两个进程中。不是任意的两个进程都可以通过这种方式来实现通信。

简单的例子

下面的这个例子利用管道来实现了，子进程向父进程传递一段信息，父进程接收到并打印出来的简单功能。

int main(void)
{
    int n;
    int fd[2];
    pid_t pid;

    char line[1024];

    if (pipe(fd) < 0)
        return;
    if ((pid = fork()) < 0)
        return;
    else if (pid > 0)
    {
        close(fd[0]);
        write(fd[1], "hello world\n", 12);
    }
    else
    {
        close(fd[1]);
        n = read(fd[0], line, 1024);
        printf("the recv msg is %s\n", line);
    }
    return(0);

}

注意点

这里记录一下，管道操作中对读端，写端操作的注意点。

• 写端没有关闭的情况下，执行 read 操作：
  1. 如果管道中没有数据，read 将会阻塞。
  2. 管道的缓冲区也是有大小的，这个值记录在PIPE_BUF中。 read函数传入的字节数、管道中实际的字节数、管道缓冲区的大小这三者之间 会存在大小顺序的关系。read的返回值也跟着三者之间的关系有关。不过只要记住， read返回的是实际读到的字节数，并做好返回值检查就可以在编程中避免错误了。
• 写端关闭的情形下，执行 read 操作：

  这个时候read不会出错，但是返回值为0。

• 读端未关闭的情况下，执行 write 操作：

  如果管道的缓冲区已经满了，则write操作阻塞

• 读端关闭的情况下，执行 write 操作：

  这种情况是危险的，write返回-1， error设为EPIPE， 并产生SIGPIPE信号。

popen pclose函数

在进程控制里面提到过，如果想在程序里面调用 shell 命令或者脚本文件，可以通过fork函数自己实现，或者直接调用 system 函数。现在我们又多了一种方法，这就是popen函数，并且popen函数通过管道机制，可以将执行shell命令的输出结果传递到父进程，或者父进程可以通过管道向shell命令传递参数。这样的实现又极大的方便了我们编程的需求。下面先写出popen pclose函数的声明，再举几个例子来加深一下印象。

#include <stdio.h>
FILE *popen(const char *cmdstring, const char *type);
                            返回值：若成功，返回文件指针；若出错，返回NULL

int pclose(FILE *fp);
                            返回值：若成功，返回cmdstring的终止状态；若出错，返回-1

当 popen 函数传入的 type 为 "r" 时，表示程序可以从其返回的文件指针中读取执行 cmstring 的结果，它其实将子进程的 stdout 与返回的文件指针连接在一起。如下图所示：

当 popen 函数传入的 type 为 "w" 时，表示父进程可以通过文件指针来向子进程传递参数，它的理解可以借助于下图：

两个简单的利用 popen 函数的例子：

/* test popen output */
int main()
{
    FILE *fp;
    pid_t pid;
    char *cmd = "ls -al";
    char line[1024];

    if ((fp = popen(cmd, "r")) == NULL)
        return;

    // get and print the data from child process
    fread(line, sizeof(char), 1024, fp);
    printf("%s\n", line);

    pclose(fp);
    return;
}

/* test popen input */
int main()
{
    FILE *fp;
    pid_t pid;
    char *cmd = "cat ";
    char *msg = "hello world\n";

    if ((fp = popen(cmd, "w")) == NULL)
        return;

    // get the params form the parent process
    fwrite(msg, sizeof(char), 12, fp);
    pclose(fp);

    return;
}