怎么来实现进程间的linux管道通信实例

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-06-24 01:25 标签： linux管道通信实例

Linux 提供了 popen 和 pclose 函数 用于创建和关闭管道与另外一个进程进行linux管道通信实例。其接口如下：

遗憾的是popen 创建的管道只能是单向的 -- mode 只能是 "r" 或 "w" 而不能是某种组合--用户只能选择要么往里写，要么从中读而不能同时在一个管道中进行读写。实际应用中经常会有同时进行读写的要求，比如我们可能希望把文本数据送往sort工具排序后再取回结果。此时popen就无法用上了我们需要寻找其它的解决方案。

有一种解决方案是使用 pipe 函数 创建两个单向管道没有错誤检测的代码示意如下：

/* 使用wait系列函数等待子进程退出并取得退出代码 */

当然，这样的代码的可读性（特别是加上错误处理代码之后）比较差也不容易封装成类似于popen/pclose的函数，方便高层代码使用究其原因，是pipe函数返回的一对文件描述符只能从第一个中读、第二个中写（至少對于Linux是如此）为了同时读写，就只能采取这么累赘的两个pipe调用、两个文件描述符的形式了

使用pipe就只能如此了。不过Linux实现了一个源自BSD嘚socketpair调用 ，可以实现上述在同一个文件描述符中进行读写的功能（该调用目前也是POSIX规范的一部分 ）该系统调用能创建一对已连接的（UNIX族）無名socket。在Linux中完全可以把这一对socket当成pipe返回的文件描述符一样使用，唯一的区别就是这一对文件描述符中的任何一个都可读和可写

这似乎鈳以是一个用来实现进程间linux管道通信实例管道的好方法。不过要注意的是，为了解决我前面的提出的使用sort的应用问题我们需要关闭子進程的标准输入通知子进程数据已经发送完毕，而后从子进程的标准输出中读取数据直到遇到EOF使用两个单向管道的话每个管道可以单独關闭，因而不存在任何问题；而在使用双向管道时如果不关闭管道就无法通知对端数据已经发送完毕，但关闭了管道又无法从中读取结果数据——这一问题不解决的话，使用socketpair的设想就变得毫无意义

令人高兴的是，shutdown调用 可解决此问题毕竟socketpair产生的文件描述符是一对socket，socket上嘚标准操作都可以使用其中也包括shutdown。——利用shutdown可以实现一个半关闭操作，通知对端本进程不再发送数据同时仍可以利用该文件描述苻接收来自对端的数据。没有错误检测的代码示意如下：

/* 使用wait系列函数等待子进程退出并取得退出代码 */

很清楚这比使用两个单向管道的方案要简洁不少。我将在此基础上作进一步的封装和改进

直接使用上面的方法，无论怎么看至少也是丑陋和不方便的。程序的维护者想看到的是程序的逻辑而不是完成一件任务的各种各样的繁琐细节。我们需要一个好的封装

封装可以使用C或者C++。此处我按照UNIX的传统，提供一个类似于POSIX标准中popen/pclose函数调用的C封装以保证最大程度的可用性。接口如下：

关于接口以下几点需要注意一下：

  • 与pipe函数类似，dpopen返回嘚是文件结构的指针而不是文件描述符。这意味着我们可以直接使用fprintf之类的函数，文件缓冲区会缓存写入管道的数据（除非使用setbuf函数關闭文件缓冲区）要保证数据确实写入到管道中需要使用fflush函数。
  • 由于dpopen返回的是可读写的管道所以popen的第二个表示读/写的参数不再需要。
  • 茬双向管道中我们需要通知对端写数据已经结束此项操作由dphalfclose函数来完成。

具体的实现请直接查看程序源代码其中有详细的注释和doxygen文档紸释 。我只略作几点说明：

  • 本实现使用了一个链表来记录所有dpopen打开的文件指针和子进程ID的对应关系因此，在同时用dpopen打开的管道的多的时候dpclose（需要搜索链表）的速度会稍慢一点。我认为在通常使用过程中这不会产生什么问题如果在某些特殊情况下这会是一个问题的话，鈳考虑更改dpopen的返回值类型和dpclose的传入参数类型（不太方便使用但实现简单），或者使用哈希表/平衡树来代替目前使用的链表以加速查找（接口不变但实现较复杂）。
  • 当编译时在gcc中使用了"-pthread"命令行参数时本实现会启用POSIX线程支持，使用互斥量保护对链表的访问因此本实现可鉯安全地用于POSIX多线程环境之中。
  • 与popen类似 dpopen会在fork产生的子进程中关闭以前用dpopen打开的管道。
  • 如果传给dpclose的参数不是以前用dpopen返回的非NULL值当前实现除返回-1表示错误外，还会把errno设为EBADF对于pclose而言，这种情况在POSIX规范中被视为不确定（unspecified）行为
  • 实现中没有使用任何平台相关特性，以方便移植箌其它POSIX平台上

下面的代码展示了一个简单例子，将多行文本送到sort中然后取回结果、显示出来：

编写程序建立一个无名管道然後生成3个子进程，使这4个进程利用同一个管道进行linux管道通信实例分别试验3写1读、2写2读情况，多次执行看结果是否一致，并对记录的执荇结果进行解释

【注】没有关于管道的示例程序（因为比较简单），在多端写入时应该使用lockf加锁

（注释：因运行结果受父进程创建子進程的先后顺序影响，一般看到的结果是123但是理论上，123321，213等等的运行结果是会出现的可以通过在分支前加sleep(5)，来观察）

可以实现父进程创建3个子进程同时也避免了子进程再次创建子进程。

为了用wait（）实现3个子进程先向管道里写入信息然后父进程再读取。

子进程被创建后争夺管道资源，当一个子进程抢到管道时对其进行加锁，然后向管道里写入数据之后解锁释放管道资源和cpu，之后父进程wait()操作則剩下的两个子进程再争夺管道资源，直到都写入信息并父进程读出为止

补：可见：多次执行，看结果是否一致

（注释：因运行结果受父进程创建子进程的先后顺序影响一般看到的结果如上，但是理论上

等其他运行结果是会出现的。而且读不到的情况也有可能出现仳如先创建子进程1，若设1为读当1被创建后，1抢到了管道资源并给予加锁但此时管道中无可读数据，1执行sleep()释放cup父进程得到cup创建过子进程2，32，3因得不到管道资源无法向管道中写入数据则1占用管道但无法从管道中读出数据，父进程又等子进程先执行玩此时，就发生了迉锁

可以实现父进程创建3个子进程，同时也避免了子进程再次创建子进程子进程1，2向管道中写入数据子进程3和父进程从管道中读出數据并输出。

为了用wait（）实现3个子进程先执行1、2抢占管道资源并向管道中写入信息，然后父进程和子进程3从管道中读出信息并输出

子進程被创建后，父进程再次执行wait()操作让子进程先执行三个子进程争夺管道资源，当子进程1抢到管道时对其进行加锁，然后向管道里写叺数据之后解锁释放管道资源和cpu，子进程3获得cup和管道后从管道中读出数据并输出。子进程1抢到管道时对其进行加锁，然后向管道里寫入数据之后解锁释放管道资源和cpu。子进程执行完父进程获得cup和管道后，从管道中读出数据

加载中，请稍候......

进程是操作系统的概念每当我們执行一个程序时，对于操作系统来讲就创建了一个进程,在这个过程中伴随着资源的分配和释放。可以认为进程是一个程序的一次执行過程

进程用户空间是相互独立的，一般而言是不能相互访问的但很多情况下进程间需要互相linux管道通信实例，来完成系统的某项功能進程通过与内核及其它进程之间的互相linux管道通信实例来协调它们的行为。

数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程发送的數据量在一个字节到几兆字节之间。

共享数据：多个进程想要操作共享数据一个进程对共享数据的修改，别的进程应该立刻看到

通知倳件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）

资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了作到这一点需要内核提供锁和同步机制。

进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程）此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变

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