Linux进程间通信方式之管道(pipe)

进程间通信

每个进程各自有独立的用户地址空间,任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到,但是所有进程都共享内核地址空间,所以进程之间要交换数据必须通过内核,在内核中开辟一块缓冲区,进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区,进程2再从内核缓冲区把数据读走,内核提供的这种机制称为进程间通信(IPC,Inter Process Communication)。如下图所示。

管道是Linux 支持的最初Unix IPC形式之一,具有以下特点:

1) 管道是半双工的,数据只能向一个方向流动;需要双方通信时,需要建立起两个管道;

2) 匿名管道只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程);

3) 单独构成一种独立的文件系统:管道对于管道两端的进程而言,就是一个文件,但它不是普通的文件,它不属于某种文件系统,而是自立门户,单独构成一种文件系统,并且只存在与内存中。

一个管道实际上就是个只存在于内存中的文件,根据管道的适用范围将其分为:无名管道和命名管道。

 

1. 无名管道

主要用于父进程与子进程之间,或者两个兄弟进程之间。在Linux系统中可以通过系统调用建立起一个单向的通信管道,且这种关系只能由父进程来建立。因此,每个管道都是单向的,当需要双向通信时就需要建立起两个管道。管道两端的进程均将该管道看做一个文件,一个进程负责往管道中写内容,而另一个从管道中读取。这种传输遵循“先入先出”(FIFO)的规则。

2. 命名管道

命名管道是为了解决无名管道只能用于近亲进程之间通信的缺陷而设计的。命名管道是建立在实际的磁盘介质或文件系统(而不是只存在于内存中)上有自己名字的文件,任何进程可以在任何时间通过文件名或路径名与该文件建立联系。为了实现命名管道,引入了一种新的文件类型——FIFO文件(遵循先进先出的原则)。实现一个命名管道实际上就是实现一个FIFO文件。命名管道一旦建立,之后它的读、写以及关闭操作都与普通管道完全相同。虽然FIFO文件的inode节点在磁盘上,但是仅是一个节点而已,文件的数据还是存在于内存缓冲页面中,和普通管道相同。

无名管道的创建

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  1. int pipe(int fd[2])

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,它有一个读端和一个写端,然后通过fd参数传出给用户程序两个文件描述符,fd[0]指向管道的读端,fd[1]指向管道的写端(很好记,就像0是标准输入1是标准输出一样)。所以管道在用户程序看起来就像一个打开的文件,通过read(fd[0])或者write(fd[1])向这个文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。pipe函数调用成功返回0,调用失败返回-1。

管道是一个固定大小的缓冲区。在Linux中,该缓冲区的大小为1页,即4K字节。如果一次write调用写的数据量小于管道容量,则写必须一次完成,如果管道所剩余的容量不够,同时管道写端口被设置为阻塞方式,write被阻塞,等待某些数据被读取,直到管道的剩余容量可以一次写完为止。如果write调用写的数据量大于管道容量,则写操作分多次完成。如果用fcntl设置管道写端口为非阻塞方式,则管道满不会阻塞写,而只是对写返回0。

 

读操作按数据到达的顺序读取数据。已经被读取的数据在管道内不再存在,这意味着数据在管道中不能重复利用。如果管道为空,且管道的写端口是打开状态,则读操作被阻塞直到有数据写入为止。一次read调用,如果管道中的数据量不够read指定的数量,则按实际的数量读取,并对read返回实际数量 值。如果读端口使用fcntl设置了非阻塞方式,则当管道为空时,read调用返回0。

如果管道的读端口关闭,那么在该管道上的发出写操作调用的进程将接收到一个SIGPIPE信号。关闭写端口是给读端口一个文件结束符的唯一方法。对于写端口关闭后,在该管道上的read调用将返回0。

环形缓冲区

每个管道只有一个页面作为缓冲区,该页面是按照环形缓冲区的方式来使用的。这种访问方式是典型的“生产者——消费者”模型。当“生产者”进程有大量的数据需要写时,而且每当写满一个页面就需要进行睡眠等待,等待“消费者”从管道中读走一些数据,为其腾出一些空间。相应的,如果管道中没有可读数据,“消费者”进程就要睡眠等待,具体过程如下图所示。

 

环形缓冲区是嵌入式系统中一个常用的重要数据结构。一般采用数组形式进行存储,即在内存中申请一块连续的线性空间,可以在初始化的时候把存储空间一次性分配好。只是要模拟环形,必须在逻辑上把数组的头尾相连接。只要对数组最后一个元素进行特殊的处理——访问尾部元素的下一元素时,重新回到头部元素。对于从尾部回到头部只需模缓冲长度即可(假设maxlen为环形缓冲的长度,当读指针read指向尾部元素时,只需执行read=read%maxlen即可使read回到头部元素)。

进程间通信

 

开辟了管道之后如何实现两个进程间的通信呢?比如可以按下面的步骤通信:

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