Linux系统编程—管道

Linux 实现 IPC 其中的一种方式——管道

管道又分：

1、无名管道：无名管道只能用于有亲缘关系的进程。

2、有名管道：有名管道用于任意两进程间通信。

你就可以把管道理解成位于进程内核空间的“文件”。

给文件加引号，是因为它和文件确实很像，因为它也有描述符。但是它确实又不是普通的本地文件，而是一种抽象的存在。

当进程使用 pipe 函数，就可以打开位于内核中的这个特殊“文件”。同时 pipe 函数会返回两个描述符，一个用于读，一个用于写。如果你使用 fstat函数来测试该描述符，可以发现此文件类型为 FIFO。

而无名管道的无名，指的就是这个虚幻的“文件”，它没有名字。本质上，pipe 函数会在进程内核空间申请一块内存（比如一个内存页，一般是 4KB），然后把这块内存当成一个先进先出（FIFO）的循环队列来存取数据，这一切都由 *** 作系统帮助我们实现了。

pipe 函数打开的文件描述符是通过参数（数组）传递出来的，而返回值表示打开成功（0）或失败（-1）。

它的参数是一个大小为 2 的数组。此数组的第 0 个元素用来接收以读的方式打开的描述符，而第 1 个元素用来接收以写的方式打开的描述符。也就是说，pipefd[0] 是用于读的，而 pipefd[1] 是用于写的。

打开了文件描述符后，就可以使用 read(pipefd[0]) 和 write(pipefd[1]) 来读写数据了。

注意事项

1、这两个分别用于读写的描述符必须同时打开才行，否则会出问题。

2、如果关闭读 (close(pipefd[0])) 端保留写端，继续向写端 (pipefd[1]) 端写数据(write 函数)的进程会收到 SIGPIPE 信号。

3、如果关闭写 (close(pipefd[1])) 端保留读端，继续向读端 (pipefd[0]) 端读数据(read 函数)，read 函数会返回 0。

当在进程用 pipe 函数打开两个描述符后，我们可以 fork 出一个子进程。这样，子进程也会继承这两个描述符，而且这两个文件描述符的引用计数会变成 2。

如果你需要父进程向子进程发送数据，那么得把父进程的 pipefd[0] （读端）关闭，而在子进程中把 pipefd[1] 写端关闭，反之亦然。为什么要这样做？实际上是避免出错。传统上 pipe 管道只能用于半双工通信（即一端只能发，不能收；而另一端只能收不能发），为了安全起见，各个进程需要把不用的那一端关闭（本质上是引用计数减 1）。

步骤一：fork 子进程

步骤二：关闭父进程读端，关闭子进程写端

父进程 fork 出一个子进程，通过无名管道向子进程发送字符，子进程收到数据后将字符串中的小写字符转换成大写并输出。

有名管道打破了无名管道的限制，进化出了一个实实在在的 FIFO 类型的文件。这意味着即使没有亲缘关系的进程也可以互相通信了。所以，只要不同的进程打开 FIFO 文件，往此文件读写数据，就可以达到通信的目的。

1、文件属性前面标注的文件类型是 p

2、代表管道文件大小是 0

3、fifo 文件需要有读写两端，否则在打开 fifo 文件时会阻塞

通过命令 mkfifo 创建

通过函数 mkfifo创建

函数返回 0 表示成功，-1 失败。

例如:

cat 命令打印 test文件内容

接下来你的 cat 命令被阻塞住。

开启另一个终端，执行：

然后你会看到被阻塞的 cat 又继续执行完毕，在屏幕打印 “hello world”。如果你反过来执行上面两个命令，会发现先执行的那个总是被阻塞。

有两个程序，分别是发送端 send 和接收端面 recv。程序 send 从标准输入接收字符，并发送到程序 recv，同时 recv 将接收到的字符打印到屏幕。

发送端

接收端

编译

运行

因为 recv 端还没打开test文件，这时候 send 是阻塞状态的。

再开启另一个终端：

这时候 send 端和 recv 端都在终端显示has opend fifo

此时在 send 端输入数据，recv 打印。

管道就是我们生活中看到的净水，它有两个水口，一个连接着进水管，一个连接着出水管，通过这个管道，我们就可以把水流一步步过滤处理，最终输出我们想要的净水。

linux中的管道也是同样的道理，它使用|表示。

比如我们经常看到统计排序的例子

为了避免死锁并利用并行性，通常，带有一个或多个新管道的Unix进程将调用fork()创建新进程。然后，每个过程将在产生或使用任何数据之前关闭将不使用的管道末端。或者，进程可以创建一个新线程并使用管道在它们之间进行通信。

也可以使用mkfifo()或创建命名管道mknod()，然后在调用它们时将它们作为输入或输出文件呈现给程序。它们允许创建多路径管道，并且在与标准错误重定向或结合使用时特别有效。

Linux原理的学习，我打算由浅入深，从上之下，也就是先了解个大概再逐个深入。先了解一下Linux的进程先。

一、Linux进程上下文

Linux进程上下文，我理解就是进程组成元素的集合。包括进程描述符tast_struct，正文段，数据段，栈，寄存器内容，页表等。

1）tast_struct

它是一种数据结构，存储着进程的描述信息，例如pid，uid，状态，信号项，打开文件表等。是进程管理和调度的重要依据。

2）用户栈和核心栈

顾名思义，用户栈是进程运行在用户态使用的栈，含有用户态执行时候函数调用的参数，局部变量等；核心栈是该进程运行在核心态下用的栈，保存调用系统函数所用的参数和调用序列。这两个栈的指针都保存在tast_struct结构中。

3）寄存器

保存程序计数器，状态字，通用寄存器，栈指针。

4）页表

线性地址到物理地址的映射

5）正文段，数据段。

二、Linux进程的状态

Linux中进程共有5个状态：就绪，可中断睡眠，不可中断睡眠，暂停，僵死。也就是说，linux不区分就绪和运行，它们统一叫做就绪态。进程所处的状态记录在tast_struct中。

三、进程的控制

1）进程树的形成

计算机启动后，BIOS从磁盘引导扇区加载系统引导程序，它将Linux系统装入内存，并跳到内核处执行，Linux内核就执行初始化工作：初始化硬件、初始化内部数据结构、建立进程0。进程0创建进程1，进程1是以后所有创建的进程的祖先，它负责初始化所有的用户进程。进程1创建shell进程，shell进程显示提示符，等待命令的输入。

2）进程的创建

任何一个用户进程的创建都是由现有的一个进程完成的，进程的创建要经过fork和exec两个过程。Fork是为新进程分配相应的数据结构，并将父进程的相应上下文信息复制过来。Exec是将可执行文件的正文和数据转入内存覆盖它原来的（从父进程复制过来的），并开始执行正文段。

3）进程的终止

系统调用exit()就可自我终结，exit释放除了tast_struct以外的所有上下文，父进程收到子进程终结的消息后，释放子进程的tast_struct。

4）进程的调度

进程的调度是由schedule()完成的，一种情况是，当处理机从核心态向用户态转换之前，它会检查调度标志是否为1，如果是1，则运行schedule()，执行进程的调度。另一种情况是进程自动放弃处理机，时候进行进程调度。

进程的调度过程分为两步，首先利用相关策略选择要执行的进程，然后进行上下文的切换。

四、进程的通信

进程的通信策略主要有，消息，管道，消息队列，共享存储区和信号量。

1）信息

消息机制主要是用来传递进程间的软中断信号，通知对方发生了异步事件。发送进程将信号（约定好的符号）发送到目标进程的tast_struct中的信号项，接收进程看到有消息后就调用相应的处理程序，注意，处理程序必须到进程执行时候才能执行，不能立即响应。

2）管道

我理解就是两个进程使用告诉缓冲区中的一个队列（每两个进程一个），发送进程将数据发送到管道入口，接收进程从管道出口读数据。

3） 消息队列

消息队列是 *** 作系统维护的一个个消息链表，发送进程根据消息标识符将消息添加到制定队列中，接收进程从中读取消息。

4）共享存储区

在内存中开辟一个区域，是个进程共享的，也就是说进程可以把它附加到自己的地址空间中，对此区域中的数据进行 *** 作。

5）信号量

控制进程的同步。

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