管道和无名管道

管道

1. 管道概述

管道(pipe) 又称之为无名管道。

无名管道是一个特殊的文件类型，在应用程序执行的过程中存在，利用两个【文件描述符】来实现管道操作。利用 write 和 read 系统调用函数，借助于两个文件描述符，实现管道操作。

无名管道采用的通信方式/协议是最古老的 UNIX IPC 方式

• 半双工，数据在同一个时间，有且只允许单向通信
• 数据有且只允许，从一端读取，另一端写入
• 管道中的数据遵循 FIFO (先进先出) 原则，一旦数据从管道的一端读取之后，当前被读取数据在管道中消失。
• 管道中的数据无格式要求，取决于当前用户设置的通信数据格式，数据要求和数据形式。
• 无名管道不是一个【普通文件】是内核中的一个特殊标记文件，存在于内存中
• 进程打开的管道，在系统中有明确的限制个数和限制缓冲区容量，当前 Ubuntu 18.04 中，默认管道缓冲区位 512bytes ，个数 8

2. 无名管道操作

2.1 相关函数 pipe

函数文档

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

• 功能:
  • 当前进程创建一个管道，参数要求是一个 int 类容量为 2 的数组
• 参数解释
  • int pipefd[2] : 要求是一个 int 类型的容量为 2 的数组，管道创建完毕之后，对应的文件描述符存储在下标 0 和下标 1 的位置
  • 同时限制 pipefd[0] 管道读打开
  • 同时限制 pipefd[1] 管道写打开
• 返回值
  • 管道创建成功返回 0
  • 管道创建失败返回 -1

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int pipefd[2] = {0};

    /*
    进程占用的默认文件描述符有
        #define STDIN_FILENO   0
        #define STDOUT_FILENO  1
        #define STDERR_FILENO  2

    默认情况下，用户可以使用的最小文件描述符为 3
    */
    int ret = pipe(pipefd);

    if (0 == ret)
    {
        printf("pipefd[0] read : %d, pipefd[1] write : %d\n", pipefd[0], pipefd[1]);
    }
    else
    {
        abort();
    }

    /*
    父进程通过 pipefd[1] 写入 write 数据，子进程通过 pipefd[0] 读取 read 数据
    */
    pid_t pid = -1;

    pid = fork();
    if (-1 == pid)
    {
        perror("Fork Failed!\n");
    }

    if (0 == pid)
    {
        // 子进程 【子进程通过 pipefd[0] 读取 read 数据】
        char buf[32] = "";
        read(pipefd[0], buf, sizeof(buf));

        printf("Son Process get data : %s\n", buf);
  
        _exit(0);
    }
    else
    {
        // 父进程 【父进程通过 pipefd[1] 写入 write 数据】
        char data[] = "Hello World!";
        printf("Parent Process write data to pipe : %s\n", data);

        // sleep(2);
        write(pipefd[1], data, sizeof(data));

        /*
        char *data = "Hello World!";
            sizeof(data);        8(64位) 4(32位)
            sizeof("Hello World!");  13

        char data[] = "Hello World!";
            sizeof(data);   
            sizeof("Hello World!");
        */
       _exit(0);

    }

    return 0;
}

2.2 dup 和 dup2

【拷贝文件描述符】

函数文档

#include <unistd.h>

int dup(int oldfd);

• 函数功能:
  • 复制当前现有的文件描述符，得到一个新的文件描述，同时新的文件描述符是目前进程中可以使用的最小文件描述符。
• 函数参数:
  • int oldfd : 现有的文件描述符，如果文件描述符已关闭 或者存在，【ERROR】
• 返回值:
  • 得到的新的文件描述符，与 oldfd 指向同一个文件资源，操作新的 fd 和 oldfd 是一致的。
  • 如果执行失败，返回 -1

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int fd = open("./1.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);

    if (-1 == fd)
    {
        perror("open failed!\n");
    }

    printf("fd : %d\n", fd);

    /*
    当前文件对应的文件描述符，进行复制，得到新的文件描述符，同时
    新的文件描述，具备原文件描述符的所有内容。
    */
    int new_fd = dup(fd);

    write(fd, "1. Hello World!\n", strlen("1. Hello World!\n"));
    write(new_fd, "2. Hello World!\n", strlen("2. Hello World!\n"));

    /*
    当前 old_fd 关闭之后，对于通过 dup 函数拷贝的新的 文件描述符没有任何的影响
    新的文件描述符依然可以使用
    【注意】
        考虑到文件资源问题，需要对当前新的文件描述 new_fd 同样进行 close 操作
    */
    close(fd);

    write(new_fd, "3. Hello World!\n", strlen("3. Hello World!\n"));

    close(new_fd);

    return 0;
}

函数文档

#include <unistd.h>

int dup2(int oldfd, int newfd);

• 函数功能:
  • 将已有的文件描述 oldfd 【复制】/【重定向】到 newfd ，
  • 如果 newfd 已存在，将覆盖原本的文件描述符属性，同时将原本文件描述对应的资源进行关闭。
  • 【少见】如果 newfd 不存在，则根据当进程中，最小文件描述符情况分配新的文件描述符，功能类似于 dup
• 函数参数:
  • int oldfd : 现有的文件描述符，如果文件描述符已关闭 或者存在，【ERROR】
  • int newfd : 已有的文件描述符，重定向之后，newfd 原本资源被关闭，newfd 和 oldfd 资源一致。
• 返回值:
  • 若调用成功，返回新的文件描述符（即 newfd）。
  • 如果执行失败，返回 -1

3. 有名管道操作

3.1 基本概述

• 半双工，数据在同一个时间，有且只允许单向通信
• 数据有且只允许，从一端读取，另一端写入
• 管道中的数据遵循 FIFO (先进先出) 原则，一旦数据从管道的一端读取之后，当前被读取数据在管道中消失。
• 管道中的数据无格式要求，取决于当前用户设置的通信数据格式，数据要求和数据形式。
• 有名管道是利用 Linux 中的管道文件，实现管道操作，在硬盘中真实存在对应的文件内容。
• 进程打开的管道，在系统中有明确的限制个数和限制缓冲区容量，当前 Ubuntu 18.04 中，默认管道缓冲区位 512bytes ，个数 8

3.2 相关函数

函数文档

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

• 功能
• 在用户指定的路径中，创建一个管道文件，并且指定当前管道文件的操作权限。
• 参数解释
• const char *pathname : 指定管道文件所在路径和对应名称。一般情况下，管道文件没有对应的后缀名
• mode_t mode: 设置当管道文件的相关操作权限，主要是拥有者，同组用户和访客的 RWX 操作权限，可以利用 八进制 权限方式限制
• 返回值类型
• 如果命名管道创建成功，mkfifo 函数返回 0。
  • **如果创建过程中出现错误，函数返回 -1，并设置 **errno 来指示具体的错误类型。
• 可能的错误类型
• EACCESS：调用进程没有足够的权限在指定的目录下创建命名管道。
• EEXIST：指定的路径名已经存在，可能是一个普通文件、目录或其他类型的文件。
• ENAMETOOLONG：路径名太长。
• ENOENT：指定路径中的某个目录不存在。
• ENOTDIR：路径中的某个组件不是一个目录。
• EROFS：指定的路径位于只读文件系统中。

3.3 案例代码

创建管道

#include <stdio.h>
​
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
​
int main(int argc, char const *argv[])
{
    int ret = mkfifo("./fifo", 0666);
    
    if (!ret) 
    {
        printf("Create Pipe Successful!\n");
    }
​
    return 0;
}
​

写入数据到管道

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
​
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
​
#define PATH_NAME "./fifo"
​
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 打开管道，利用 write 函数向管道中写入数据
​
    printf("Write Data to Pipe!\n");
    // 1. 利用 open 函数打开管道，打开方式为只写方式 O_WRONLY 
    int fd = open(PATH_NAME, O_WRONLY);
​
    char * data = "Hello World!\n";
    // 2. 利用 write 函数写入数据到管道中
    write(fd, data, strlen(data));
​
    // 3. 关闭 文件描述符
    close(fd);
    return 0;
}
​

从管道中读取数据

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
​
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
​
#define PATH_NAME "./fifo"
#define BUFFER_SIZE 64
​
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 打开管道，利用 read 函数从管道中读取数据
​
    printf("Read Data From Pipe!\n");
    // 1. 利用 open 函数打开管道，打开方式为只读方式 O_RDONLY 
    int fd = open(PATH_NAME, O_RDONLY);
​
    char buf[BUFFER_SIZE];
    memset(buf, 0, BUFFER_SIZE);
​
    // 2. 利用 read 函数从管道文件中读取数据
    read(fd, buf, BUFFER_SIZE);
​
    printf("Data : %s\n", buf);
​
    // 3. 关闭 文件描述符
    close(fd);
    return 0;
}