进程间通讯-管道

介绍

管道（Pipe）是操作系统提供的一种进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）机制，它允许一个进程的输出直接作为另一个进程的输入。管道主要分为以下两种类型：

1. 无名管道（Unnamed Pipe）：

   • 无名管道是半双工的，也就是说数据只能在一个方向上流动，要么从写入端流向读取端，要么反之。
   • 管道是存在于内存中的，由内核管理的一个缓冲区。
   • 管道的两端通过文件描述符（file descriptor）进行访问，通常是一个数组，如int fd[2]，其中fd[0]用于读取，fd[1]用于写入。
   • 管道通常用于父子进程之间的通信，因为无名管道只能在具有亲缘关系的进程之间使用。
   • 当写入的数据超过管道的缓冲区容量时，写入操作会被阻塞，直到有进程从管道中读出数据。

2. 命名管道（Named Pipe或FIFO，First-In-First-Out）：

   • 命名管道是在文件系统中创建的一个特殊文件，因此它可以用于不相关的进程之间的通信。
   • 命名管道既可以用于半双工通信，也可以通过创建两个命名管道实现全双工通信。
   • 任何知道命名管道路径的进程都可以打开并使用它进行通信。
   • 命名管道的使用方式与普通文件类似，可以使用标准的文件I/O函数进行读写操作。

实现举例

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main() {
    int pipefd[2];
    pid_t cpid;
    char buf;

    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    cpid = fork();
    if (cpid == -1) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (cpid == 0) {    // 子进程
        close(pipefd[1]);  // 关闭管道的写端

        while (read(pipefd[0], &buf, 1) > 0) {  // 从管道的读端读数据
            write(STDOUT_FILENO, &buf, 1);  // 将读到的数据输出到标准输出
        }

        write(STDOUT_FILENO, "\n", 1);
        close(pipefd[0]);  // 关闭管道的读端
        _exit(EXIT_SUCCESS);
    } else {            // 父进程
        close(pipefd[0]);  // 关闭管道的读端

        write(pipefd[1], "Hello, world!", 13);  // 向管道的写端写数据
        close(pipefd[1]);  // 关闭管道的写端

        wait(NULL);        // 等待子进程结束
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
}

示例说明

在上面的例子中，首先使用pipe()函数创建了一个管道，并获取了管道的两个文件描述符。然后，使用fork()函数创建了一个子进程。在子进程中，关闭了管道的写端，然后从管道的读端读取数据，并将读到的数据输出到标准输出。在父进程中，关闭了管道的读端，然后向管道的写端写入数据，并等待子进程结束。最后，在父进程中关闭了管道的写端，并结束了整个程序。

需要注意的是，管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动。在上述例子中，创建了一个管道，并使用fork()函数创建了一个子进程。然后，在父进程中向管道的写端写入数据，在子进程中从管道的读端读取数据。由于管道是单向的，所以需要使用两个文件描述符来实现父子进程之间的双向通信。

总结

管道的主要特点和注意事项包括：

• 管道中的数据是以字节流的形式传输的，不保留消息边界。
• 管道的读写操作遵循先进先出（FIFO）的原则。
• 管道的读端和写端都是独立的文件描述符，可以被不同的进程拥有。
• 如果没有进程在读取管道中的数据，那么写入管道的操作可能会阻塞，直到有进程开始读取。
• 当所有引用管道的进程都关闭了它们的文件描述符时，管道将被删除。