Linux进程间通信(1):管道

接上一篇的内容——Linux任务、进程和线程

参考书籍：《从实践中学嵌入式linux应用程序开发》（华清远见嵌入式学院）

资料下载：http://download.csdn.net/detail/klcf0220/5332477

参考链接：http://www.cnblogs.com/zhouyinhui/archive/2010/10/13/1849203.html

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part1/

Linux进程间通信：

1、同主机进程间数据交互机制：无名管道（PIPE）、有名管道（FIFO）、消息队列（Message Queue）和共享内存（Share Memory）。
2、同主机进程间同步机制：信号量（semaphore）。
3、同主机进程间异步机制：信号（Signal）。
4、网络主机间数据交互机制：套接字（Socket）

无名管道（pipe）：

首先是 int pipe(int f[2]) 这个函数，其需要头文件<unistd.h>，这个函数将创建一个未命名管道，并将管道的读端描述字包含在f[0]中，将写端描述字放在f[1]中，然后你就可以像利用普通文件描述字一样来读写数据了。
再次是int close(int fd) 函数， 其需要头文件<unistd.h>，其用于关闭指定的文件描述字。
最后是write和read函数， 其需要头文件<unistd.h>，用于读写数据。

无名管道的特点：
    1、管道是半双工的，数据只能向一个方向流动，具有固定的读端和写端；需要双方通信时，需要建立起两个管道；
    2、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，而是单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。
    4、数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

管道读写注意点：

1. 只有在管道的读端存在时，向管道写入数据才有意义。否则向管道写入数据的进程将收到内核传来的SIGPIPE信号（通常为Broken pipe错误）；
2. 向管道写入数据时，Linux将不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读取管道缓冲区中的数据，那么写操作将会一直阻塞；
3. 父子进程在运行时，它们的先后顺序并不能保证。

/*pipe.c*/

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#define BUFF_SZ 256
int main()
{
    printf("app start...\n");
    pid_t          pid;
    int            pipe_fd[2];
    char           buf[BUFF_SZ];
    const char     data[] = "hi, this is the test data";
    int            bytes_read;
    int            bytes_write;
    //clear buffer, all bytes as 0
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    //creat pipe
    if(pipe(pipe_fd) < 0)//创建管道
    {
        printf("[ERROR] can not create pipe\n");
        exit(1);
    }
    //fork an new process
    if(0 == (pid=fork()))//创建一个子进程
    {
        //close the write-point of pipe in child process
        close(pipe_fd[1]);
        //read bytes from read-point of pipe in child process
        if((bytes_read = read(pipe_fd[0], buf, BUFF_SZ)) > 0)//子进程读取管道内容

        {
            printf("%d bytes read from pipe : '%s'\n", bytes_read, buf);
        }
        //close read-point of pipe in child process
        close(pipe_fd[0]);//关闭子进程读描述符
        exit(0);
    }
    //close read-point of pipe in parent process
    close(pipe_fd[0]);
    //write bytes to write-point of pipe in parent process
    if((bytes_write = write(pipe_fd[1], data, strlen(data))))
    {
        printf("%d bytes wrote to pipe : '%s'\n", bytes_write, data);
    }
    //close write-point of pipe in parent process
    close(pipe_fd[1]);
    //wait child process exit
    waitpid(pid, NULL, 0);//收集子进程退出信息
    printf("app end\n");
    return 0;
}

标准流管道：

标准流管道完成的工作：

1. 创建一个管道；
2. fork()一个子进程；
3. 在父子进程中关闭不需要的文件描述符；
4. 执行exec()函数族调用；
5. 执行函数中所调用的指令。

使用实例：

/*standard_pipe.c*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#define BUFSIZE 1024
int main()
{
    FILE *fd;
    char *cmd = "ps -ef";
    char buf[BUFSIZE];
    if((fd=popen(cmd,"r"))==NULL)//调用popen函数执行相应的命令
    {
        printf("popen fail\n");
        exit(1);
    }
    while((fgets(buf,BUFSIZE,fd)) != NULL)
    {
        printf("%s",buf);
    }
    pclose(fd);//关闭流管道
    exit(0);
}

有名管道（FIFO）：

1. 它可以使不相关的两个进程实现彼此通信；
2. 该管道可以通过路径名来指出，并且在文件系统中是可见的。在建立了管道之后，两个进程就可以把它当作普通文件一样进行读写操作，使用非常方便；
3. FIFO严格地遵循先进先出规则，对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则是把数据添加到末尾，它们不支持如 lseek() 等文件操作。

函数 int mkfifo (char* path, mode_t mode) 负责创建FIFO管道，其需要头文件<sys/stat.h>，参数path即要创建的管道文件存放位置，mode参数即文件权限。
更多的参考：http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/mkfifo.html。     FIFO管道创建完成以后，便可以使用open函数来打开它，然后进行读写操作了。

/*fifo_write.c*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <limits.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

#define BUFFER_SIZE PIPE_BUF
#define FIFO_NAME "/tmp/my_fifo"

int main()
{
    int pipe_fd;
    //if the pipe file do not exist
    if (access(FIFO_NAME, F_OK) == -1)
    {
        //creat FIFO pipe file
        mkfifo(FIFO_NAME, 0777);
    }
    //open FIFO pipe file.
    pipe_fd = open(FIFO_NAME, O_WRONLY);
    //write data into pipe 
    write(pipe_fd, "hi, this is a test", PIPE_BUF);
    //close FIFO pipe file descriptor
    close(pipe_fd);
    return 0;
}

/*fifo_read.c*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <limits.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#define FIFO_NAME "/tmp/my_fifo"
#define BUFFER_SIZE PIPE_BUF
int main()
{
    int pipe_fd;
    char buffer[BUFFER_SIZE + 1];
    //reset all bytes in buffer as '\0' 
    memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));
    //open FIFO pipe file.
    pipe_fd = open(FIFO_NAME, O_RDONLY);
    if(read(pipe_fd, buffer, BUFFER_SIZE) > 0)
    {
        printf("data from FIFO : %s\n", buffer);
    }
    //close pipe file descriptor
    close(pipe_fd);
    return 0;
}