Linux下的管道编程

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管道技术是Linux的一种基本的进程间通信技术。在本文中，我们将为读者介绍管道技术的模型，匿名管道和命名管道技术的定义和区别，以及这两种管道的创建方法。同时，阐述如何在应用程序和命令行中通过管道进行通信的详细方法。

一、管道技术模型

管道技术是Linux操作系统中历来已久的一种进程间通信机制。所有的管道技术，无论是半双工的匿名管道，还是命名管道，它们都是利用FIFO排队模型来指挥进程间的通信。对于管道，我们可以形象地把它们当作是连接两个实体的一个单向连接器。例如，请看下面的命令：

    ls -1 | wc -l 

该命令首先创建两个进程，一个对应于ls –1，另一个对应于wc –l。然后，把第一个进程的标准输出设为第二个进程的标准输入（如图1所示）。它的作用是计算当前目录下的文件数量。

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图1：管道示意图

如上图所示，前面的例子实际上就是在两个命令之间建立了一根管道（有时我们也将之称为命令的流水线操作）。第一个命令ls执行后产生的输出作为了第二个命 令wc的输入。这是一个半双工通信，因为通信是单向的。两个命令之间的连接的具体工作，是由内核来完成的。下面我们将会看到，除了命令之外，应用程序也可 以使用管道进行连接。

二、信号和消息的区别

我们知道，进程间的信号通信机制在传递信息时是以信号为载体的，但管道通信机制的信息载体是消息。那么信号和消息之间的区别在哪里呢？

首先，在数据内容方面，信号只是一些预定义的代码，用于表示系统发生的某一状况；消息则为一组连续语句或符号，不过量也不会太大。在作用方面，信号担任进程间少量信息的传送，一般为内核程序用来通知用户进程一些异常情况的发生；消息则用于进程间交换彼此的数据。

在 发送时机方面，信号可以在任何时候发送；信息则不可以在任何时刻发送。在发送者方面，信号不能确定发送者是谁；信息则知道发送者是谁。在发送对象方面，信 号是发给某个进程；消息则是发给消息队列。在处理方式上，信号可以不予理会；消息则是必须处理的。在数据传输效率方面，信号不适合进大量的信息传输，因为 它的效率不高；消息虽然不适合大量的数据传送，但它的效率比信号强，因此适于中等数量的数据传送。

三、管道和命名管道的区别

我们知道，命名管道和管道都可以在进程间传送消息，但它们也是有区别的。

管道技术只能用于连接具有共同祖先的进程，例如父子进程间的通信，它无法实现不同用户的进程间的信息共享。再者，管道不能常设，当访问管道的进程终止时，管道也就撤销。这些限制给它的使用带来不少限制，但是命名管道却克服了这些限制。

命名管道也称为FIFO，是一种永久性的机构。FIFO文件也具有文件名、文件长度、访问许可权等属性，它也能像其它Linux文件那样被打开、关闭和删除，所以任何进程都能找到它。换句话说，即使是不同祖先的进程，也可以利用命名管道进行通信。

如果想要全双工通信，那最好使用Sockets API。下面我们分别介绍这两种管道，然后详细说明用来进行管道编程的编程接口和系统级命令。

四、管道编程技术

在程序中利用管道进行通信时，根据通信主体大体可以分为两种情况：一种是具有共同祖先的进程间的通信，比较简单；另一种是任意进程间通信，相对较为复杂。下面我们先从较为简单的进程内通信开始介绍。

1. 具有共同祖先的进程间通信管道编程

为了了解管道编程技术，我们先举一个例子。在这个例中，我们将在进程中新建一个管道，然后向它写入一个消息，管道读取消息后将其发出。代码如下所示：

示例代码1：管道程序示例

    1: #include <unistd.h>
    2: #include <stdio.h>
    3: #include <string.h>
    4:
    5: #define MAX_LINE 80 
    6: #define PIPE_STDIN 0 
    7: #define PIPE_STDOUT 1 
    8:
    9: int main()
    10: ...{
    11: const char *string=...{"A sample message."};
    12: int ret, myPipe[2];
    13: char buffer[MAX_LINE+1];
    14:
    15: /**//* 建立管道 */
    16: ret = pipe( myPipe );
    17:
    18: if (ret == 0) ...{
19:
20: /**//* 将消息写入管道 */
21: write( myPipe[PIPE_STDOUT], string, strlen(string) );
22:
23: /**//* 从管道读取消息 */
24: ret = read( myPipe[PIPE_STDIN], buffer, MAX_LINE );
25:
26: /**//* 利用Null结束字符串 */
27: buffer[ ret ] = 0;
28:
29: printf("%s/n", buffer);
30:
31: }
32:
33: return 0;
34: }

上面的示例代码中，我们利用pipe调用新建了一个管道，参见第16行代码。 我们还建立了一个由两个元素组成的数组，用来描述我们的管道。我们的管道被定义为两个单独的文件描述符，一个用来输入，一个用来输出。我们能从管道的一端 输入，然后从另一端读出。如果调用成功，pipe函数返回值为0。返回后，数组myPipe中存放的是两个新的文件描述符，其中元素myPipe[1]包 含的文件描述符用于管道的输入，元素myPipe[0] 包含的文件描述符用于管道的输出。

在第21行代码，我们利用write函数把消息写入管道。站在应用程序的角度，它是在向stdout输出。现在，该管道存有我们的消息，我们可以利用第 24行的read函数来读它。对于应用程序来说，我们是利用stdin描述符从管道读取消息的。read函数把从管道读取的数据存放到buffer变量 中。然后在buffer变量的末尾添加一个NULL，这样就能利用printf函数正确的输出它了。在本例中的管道可以利用下图解释：

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图2：示例代码1中半双工管道的示意图

这个例子中，通信是在具有共同祖先的进程间发生的，即父进程和子进程通信。这样做局限性太大，但我们只是用它来给读者一个感性的认识。接下来，我们将介绍更为高级的进程间的管道通信。

2.进程间通信管道编程

在利用管道技术进行编程时，处理要用到上面介绍的pipe函数外，还用到另外三个函数，如下所示。

 pipe函数：该函数用于创建一个新的匿名管道。

 dup函数：该函数用于拷贝文件描述符。

 mkfifo函数：该函数用于创建一个命名管道（fifo）。

当然，在管道通信过程中还用到其它函数，到时我们会加以介绍。需要注意的是，说到底，管道无非就是一对文件描述符，因此任何能够操作文件操作符的函数都可以使用管道。这包括但不限于这些函数：select、read、write、 fcntl、freopen，等等。

2.1函数pipe

函数pipe用来建立一个新的管道，该管道用两个文件描述符进行描述。函数pipe的原型如下所示：

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

当调用成功时，函数pipe返回值为0，否则返回值为-1。成功返回时，数组fds被填入两个有效的文件描述符。数组的第一个元素中的文件描述符供应用程序读取之用，数组的第二个元素中的文件描述符可以用来供应用程序写入。

下 面我们考察在一个包含多个进程的应用程序中的管道示例。在该程序中（见示例代码2），第14行用于创建一个管道，然后进程在第16行分叉，变成一个父进程 和一个子进程。在子进程中，我们尝试从（在第18行建立的）管道的输入描述符读取，这时该进程将被挂起，直到管道中有可以读取的内容为止。

读完后，我们用NULL作为读取的内容的结束符，这样的话，读的这些内容就能使用printf函数正确打印输出了。父进程先是利用存放在thePipe[1]中的“写文件标识符”向管道写入测试字符串，然后就使用wait函数来等待子进程退出。

在 我们的这个程序中需要加以注意的是，我们的子进程是如何继承父进程利用pipe函数建立的文件描述符的，以及如何利用该文件描述符进行通信的。函数 fork一旦执行，子进程会继承父进程的功能和管道的文件描述符，但对于内核来说，父进程和子进程是平等的，它们是独立运行的。也就是说，两个进程分别具 有单独的内存空间，它们正是通过pipe函数来互通有无的。

示例代码2：演示两个进程间的管道模型的代码

     1:       #include <stdio.h>
     2:       #include <unistd.h>
     3:       #include <string.h>
     4:       #include <wait.h>
     5:
     6:       #define MAX_LINE        80
     7:
     8:       int main()
     9:       ...{
     10:         int thePipe[2], ret;
     11:         char buf[MAX_LINE+1];
     12:         const char *testbuf=...{"a test string."};
     13:
     14:         if ( pipe( thePipe ) == 0 ) ...{
     15:
     16:           if (fork() == 0) ...{
     17:
     18:             ret = read( thePipe[0], buf, MAX_LINE );
     19:             buf[ret] = 0;
     20:             printf( "Child read %s/n", buf );
     21:
     22:           } else ...{
     23:
     24:             ret = write( thePipe[1], testbuf, strlen(testbuf) );
     25:             ret = wait( NULL );
     26:
     27:           }
     28:
     29:         }
     30:
     31:         return 0;
     32:       }

需要注意的是，在这个示例程序中我们没有说明如何关闭管道，因为一旦进程结束，与管道有关的资源将被自动释放。尽管如此，为了养成一种良好的编程习惯，最好利用close调用来关闭管道的描述符，如下所示：

 ret = pipe( myPipe );
    ...
    close( myPipe[0] );
close( myPipe[1] );

如果管道的写入端关闭，但是还有进程尝试从管道读取的话，将被返回0，用来指出管道已不可用，并且应当关闭它。如果管道的读出端关闭，但是还有进程尝试向管道写入的话，试图写入的进程将收到一个SIGPIPE信号，至于信号的具体处理则要视其信号处理程序而定了。

2.2 dup函数和dup2函数

dup和dup2也是两个非常有用的调用，它们的作用都是用来复制一个文件的描述符。它们经常用来重定向进程的stdin、stdout和stderr。这两个函数的原型如下所示：

#include <unistd.h>
    int dup( int oldfd );
    int dup2( int oldfd, int targetfd )

利用函数dup，我们可以复制一个描述符。传给该函数一个既有的描述符，它就会返回一个新的描述符，这个新的描述符是传给它的描述符的拷贝。这意味着，这两个描述符共享同一个数据结构。例如，如果我们对一个文件描述符执行lseek操作，得到的第一个文件的位置和第二个是一样的。下面是用来说明dup函数使用方法的代码片段：

    int fd1, fd2;
    ...
fd2 = dup( fd1 );

需要注意的是，我们可以在调用fork之前建立一个描述符，这与调用dup建立描述符的效果是一样的，子进程也同样会收到一个复制出来的描述符。

dup2函数跟dup函数相似，但dup2函数允许调用者规定一个有效描述符和目标描述符的id。dup2函数成功返回时，目标描述符（dup2函数的第 二个参数）将变成源描述符（dup2函数的第一个参数）的复制品，换句话说，两个文件描述符现在都指向同一个文件，并且是函数第一个参数指向的文件。下面 我们用一段代码加以说明：

     int oldfd;
    oldfd = open("app_log", (O_RDWR | O_CREATE), 0644 );
    dup2( oldfd, 1 );
    close( oldfd );

本例中，我们打开了一个新文件，称为“app_log”，并收到一个文件描述符，该描述符叫做fd1。我们调用dup2函数，参数为oldfd和1，这会 导致用我们新打开的文件描述符替换掉由1代表的文件描述符（即stdout，因为标准输出文件的id为1）。任何写到stdout的东西，现在都将改为写 入名为“app_log”的文件中。需要注意的是，dup2函数在复制了oldfd之后，会立即将其关闭，但不会关掉新近打开的文件描述符，因为文件描述 符1现在也指向它。

下面我们介绍一个更加深入的示例代码。回忆一下本文前面讲的命令行管道，在那里，我们将ls –1命令的标准输出作为标准输入连接到wc –l命令。接下来，我们就用一个C程序来加以说明这个过程的实现。代码如下面的示例代码3所示。

在示例代码3中，首先在第9行代码中建立一个管道，然后将应用程序分成两个进程：一个子进程（第13–16行）和一个父进程（第20–23行）。接下来， 在子进程中首先关闭stdout描述符（第13行），然后提供了ls –1命令功能，不过它不是写到stdout（第13行），而是写到我们建立的管道的输入端，这是通过dup函数来完成重定向的。在第14行，使用dup2 函数把stdout重定向到管道（pfds[1]）。之后，马上关掉管道的输入端。然后，使用execlp函数把子进程的映像替换为命令ls –1的进程映像，一旦该命令执行，它的任何输出都将发给管道的输入端。

现在来研究一下管道的接收端。从代码中可以看出，管道的接收端是由父进程来担当的。首先关闭stdin描述符（第20行），因为我们不会从机器的键盘等标 准设备文件来接收数据的输入，而是从其它程序的输出中接收数据。然后，再一次用到dup2函数（第21行），让stdin变成管道的输出端，这是通过让文 件描述符0（即常规的stdin）等于pfds[0]来实现的。关闭管道的stdout端（pfds[1]），因为在这里用不到它。最后，使用 execlp函数把父进程的映像替换为命令wc -1的进程映像，命令wc -1把管道的内容作为它的输入（第23行）。

示例代码3：利用C实现命令的流水线操作的代码

     1:       #include <stdio.h>
     2:       #include <stdlib.h>
     3:       #include <unistd.h>
     4:
     5:       int main()
     6:       ...{
     7:         int pfds[2];
     8:
     9:         if ( pipe(pfds) == 0 ) ...{
     10:
     11:           if ( fork() == 0 ) ...{
     12:
     13:             close(1);
     14:             dup2( pfds[1], 1 );
     15:             close( pfds[0] );
     16:             execlp( "ls", "ls", "-1", NULL );
     17:
     18:           } else ...{
     19:
     20:             close(0);
     21:             dup2( pfds[0], 0 );
     22:             close( pfds[1] );
     23:             execlp( "wc", "wc", "-l", NULL );
     24:
     25:           }
     26:
     27:         }
     28:
     29:         return 0;
     30:       }

在该程序中，需要格外关注的是，我们的子进程把它的输出重定向的管道的输入，然后，父进程将它的输入重定向到管道的输出。这在实际的应用程序开发中是非常有用的一种技术。

2.3 mkfifo函数

mkfifo函数的作用是在文件系统中创建一个文件，该文件用于提供FIFO功能，即命名管道。前边讲的那些管道都没有名字，因此它们被称为匿名管道，或 简称管道。对文件系统来说，匿名管道是不可见的，它的作用仅限于在父进程和子进程两个进程间进行通信。而命名管道是一个可见的文件，因此，它可以用于任何 两个进程之间的通信，不管这两个进程是不是父子进程，也不管这两个进程之间有没有关系。Mkfifo函数的原型如下所示：

 #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
int mkfifo( const char *pathname, mode_t mode );

mkfifo函数需要两个参数，第一个参数（pathname）是将要在文件系统中创建的一个专用文件。第二个参数（mode）用来规定FIFO的读写 权限。Mkfifo函数如果调用成功的话，返回值为0；如果调用失败返回值为-1。下面我们以一个实例来说明如何使用mkfifo函数建一个fifo，具 体代码如下所示：

    int ret;
    ...
    ret = mkfifo( "/tmp/cmd_pipe", S_IFIFO | 0666 );
    if (ret == 0) ...{
      // 成功建立命名管道
    } else ...{
      // 创建命名管道失败
}

在这个例子中，利用/tmp目录中的cmd_pipe文件建立了一个命名管道（即fifo）。之后，就可以打开这个文件进行读写操作，并以此进行通信了。 命名管道一旦打开，就可以利用典型的输入输出函数从中读取内容。举例来说，下面的代码段向我们展示了如何通过fgets函数来从管道中读取内容：

 pfp = fopen( "/tmp/cmd_pipe", "r" );
    ...
ret = fgets( buffer, MAX_LINE, pfp );

我们还能向管道中写入内容，下面的代码段向我们展示了利用fprintf函数向管道写入的具体方法：

  pfp = fopen( "/tmp/cmd_pipe", "w+ );
    ...
ret = fprintf( pfp, "Here’s a test string!/n" );

对命名管道来说，除非写入方主动打开管道的读取端，否则读取方是无法打开命名管道的。Open调用执行后，读取方将被锁住，直到写入方出现为止。尽管命名管道有这样的局限性，但它仍不失为一种有效的进程间通信工具。