IPC——管道

概述

管道通信分为无名管道、有名管道

管道通信的本质

不管是有名管道，还是无名管道，它们的本质其实都是一样的，它们都是内核所开辟的一段缓存空间。进程间通过管道通信时，本质上就是通过共享操作这段缓存来实现，只不过操作这段缓存的方式，是以读写文件的形式来操作的。

无名管道

如何操作无名管道

以读写文件的方式操作无名管道

1）有读写用的文件描述符（API部分讲）
2）读写时会用write、read等文件IO函数。

为什么叫无名管道

既然可以通过“文件描述符”来操作管道，那么它就是一个文件（管道文件），但是无名管道文件比较特殊，它没有文件名，正是因为没有文件名，所有被称为无名管道。

看下open的原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);

返回值是文件描述符，或者-1（此时errno被设置）

无名管道的例子说明获取文件描述符未必非得使用open函数

注意⚠️：

man手册查询pipe函数的时候，形参可能是int *pipefd。但是这种写法不太直观，所以一般写成int pipe(int pipefd[2])。那么问题来了，int[2]类型和int*类型一样吗?

这要分情况，对于函数参数，他俩没区别

其他情况是有区别的，举个数组指针的例子。

int ar[10]={0}               √

int (*p)[10]=&ar           √

int **p=&ar                  ✘

最后一句话是错的，原因就是int*和int[10]类型是不一样的。

无名管道特点

无名管道只能用于亲缘进程之间通信。

由于没有文件名，因此进程没办法使用open打开管道文件，从而得到文件描述符，所以只有一种办法，那就是父进程先调用pipe创建出管道，并得到读写管道的文件描述符。然后再fork出子进程，让子进程通过继承父进程打开的文件描述符，父子进程就能操作同一个管道，从而实现通信。

API

PIPE原型

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[]); 

功能

创建一个用于亲缘进程（父子进程）之间通信的无名管道（缓存），并将管道与两个读写文件描述符关联起来。无名管道只能用于亲缘进程之间通信。

参数

缓存地址，缓存用于存放读写管道的文件描述符。从这个参数的样子可以看出，这个缓存就是一个拥有两个元素的int型数组。

1）元素[0]：里面放的是读管道的读文件描述符
2）元素[1]：里面放的是写管道的写文件描述符。

特别需要注意的是，这里的读和写文件描述符，是两个不同的文件描述符。

从这里大家也可以看出，并不是所有的文件描述符，都是通过open函数打开文件得到的。这里无名管道的读、写文件描述符，就是直接在创建管道时得到的，与open没有任何关系。而且这里也根本没办法使用open函数，因为open函数需要文件路径名，无名管道连文件名都没有，所以说根本就没办法使用open来打开文件，返回文件描述符。

返回值

成功返回0，失败则返回-1，并且errno被设置。

父子进程 借助无名管道 单向通信

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <unistd.h>
 #include <strings.h>
 #include <signal.h>

 void print_err(char *estr)
 {
     perror(estr);
     exit(-);
 }

 int main(void)
 {
     int ret = ;
     int pipefd[] = {};//用于存放管道的读写文件描述符

     ret = pipe(pipefd);
     if(ret == -) print_err("pipe fail");

     ret = fork();
     if(ret > )
     {
         close(pipefd[]);
         while()
         {
             write(pipefd[], "hello", );
             sleep();
         }
     }
     else if(ret == )
     {
         close(pipefd[]);
         while()
         {
             char buf[] = {};
             bzero(buf, sizeof(buf));
             read(pipefd[], buf, sizeof(buf));
             printf("child, recv data:%s\n", buf);
         }
     }

     return ;
 }

父子进程 借助无名管道 双向通信

双向通信使用一个管道行不行？

不行，由于继承关系，父子进程都有读文件描述符，父进程发给子进程的消息，子进程不一定能收到，因为可能被父进程抢读了。

解决办法

使用2个管道，每个管道负责一个方向的通信

父进程创建2个管道，有4个文件描述符。子进程继承父进程的文件描述符，父子进程加起来有8个文件描述符。

实现代码

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <unistd.h>
 #include <strings.h>
 #include <signal.h>

 void print_err(char *estr)
 {
     perror(estr);
     exit(-);
 }

 int main(void)
 {
     int ret = ;
     //[0]：读文件描述符
     //[1]：写文件描述符
     int pipefd1[] = {};//用于存放管道的读写文件描述符
     int pipefd2[] = {};//用于存放管道的读写文件描述符

     ret = pipe(pipefd1);
     if(ret == -) print_err("pipe fail");
     ret = pipe(pipefd2);
     if(ret == -) print_err("pipe fail");

     ret = fork();
     if(ret > )
     {
         close(pipefd1[]);
         close(pipefd2[]);
         char buf[] = {};
         while()
         {
             write(pipefd1[], "hello", );
             sleep();

             bzero(buf, sizeof(buf));
             read(pipefd2[], buf, sizeof(buf));
             printf("parent, recv data:%s\n", buf);
         }
     }
     else if(ret == )
     {
         close(pipefd1[]);
         close(pipefd2[]);
         char buf[] = {};
         while()
         {
             sleep();
             write(pipefd2[], "world", );

             bzero(buf, sizeof(buf));
             read(pipefd1[], buf, sizeof(buf));
             printf("child, recv data:%s\n", buf);
         }
     }

     return ;
 }

代码里，父子进程中write都写在了read前面。write是非阻塞函数，父子进程中只需要保证至少一个write在前就不会使父子进程阻塞。  如果父子进程read都在write前，则父子进程都会因read而阻塞

有名管道

无名管道因为没有文件名，被称为了无名管道，同样的道理，有名管道之所以叫“有名管道”，是因为它有文件名。也就是说当我们调用相应的API创建好“有名管道”后，会在相应的路径下面看到一个叫某某名字的“有名管道文件”。

有名管道特点

①能够用于非亲缘进程之间的通信

因为有文件名，所以进程可以直接调用open函数打开文件，从而得到文件描述符，不需要像无名管道一样，必须在通过继承的方式才能获取到文件描述符。所以任何两个进程之间，如果想要通过“有名管道”来通信的话，不管它们是亲缘的还是非亲缘的，只要调用open函数打开同一个“有名管道”文件，然后对同一个“有名管道文件”进行读写操作，即可实现通信。

②读管道时，如果管道没有数据的话，读操作同样会阻塞（休眠）

③当进程写一个所有读端都被关闭了的管道时，进程会被内核返回SIGPIPE信号

有名管道使用步骤

①进程调用mkfifo创建有名管道
②open打开有名管道
③read/write读写管道进行通信

对于通信的两个进程来说，创建管道时，只需要一个人创建，另一个直接使用即可。为了保证管道一定被创建，最好是两个进程都包含创建管道的代码，谁先运行就谁先创建，后运行的发现管道已经创建好了，那就直接open打开使用。

API

mkfifo原型

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

功能

创建有名管道文件，创建好后便可使用open打开。

如果是创建普通文件的话，我们可以使用open的O_CREAT选项来创建，比如：open("./file", O_RDWR|O_CREAT, 0664);

但是对于“有名管道”这种特殊文件，这里只能使用mkfifo函数来创建。

参数

1）pathname：被创建管道文件的文件路径名。

2）mode：指定被创建时原始权限，一般为0664（110110100），必须包含读写权限。

参考：umask、setuid、setgid、sticky bit、chmod、chown 中umask

　　　Linux——文件 中umask

 返回值

成功返回0，失败则返回-1，并且errno被设置。

 有名管道单项通信

单独启动2个进程通信

p1.c

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

#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"

void print_err(char *estr)
{
    perror(estr);
    exit(-);
}    

int creat_open_fifo(char *fifoname, int open_mode)
{
    int ret = -;
    int fd = -;    

    ret = mkfifo(fifoname, );
    //如果mkfifo函数出错了，但是这个错误是EEXIST，不报这个错误（忽略错误）
    if(ret == - && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fail");    

    fd = open(fifoname, open_mode);
    if(fd == -) print_err("open fail");

    return fd;
}

void signal_fun(int signo)
{
    //unlink();
    remove(FIFONAME1);
    exit(-);
}

int main(void)
{
    char buf[] = {};
    int ret = -;
    int fd1 = -;
    signal(SIGINT, signal_fun);
    fd1 = creat_open_fifo(FIFONAME1, O_WRONLY);
    while()
    {
        bzero(buf, sizeof(buf));
    scanf("%s", buf);
    write(fd1, buf, sizeof(buf));
    }
    return ;
}

p2.c

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

#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"

void print_err(char *estr)
{
        perror(estr);
        exit(-);
}

int creat_open_fifo(char *fifoname, int open_mode)
{
        int ret = -;
        int fd = -;

        ret = mkfifo(fifoname, );
        //如果mkfifo函数出错了，但是这个错误是EEXIST，不报这个错误（忽略错误）
        if(ret == - && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fail");

        fd = open(fifoname, open_mode);
        if(fd == -) print_err("open fail");

        return fd;
}

void signal_fun(int signo)
{
        //unlink();
        remove(FIFONAME1);
        exit(-);
}

int main(void)
{
    char buf[] = {};
    int ret = -;
    int fd1 = -;
    signal(SIGINT, signal_fun);
    fd1 = creat_open_fifo(FIFONAME1, O_RDONLY);
    while()
    {
        bzero(buf, sizeof(buf));
    read(fd1,buf,sizeof(buf));
        printf("%s\n", buf);
    }
    return ;
}

这里需要注意一点把signal注册信号处理函数放到creat_open_fifo函数之前的原因是：先让系统知道怎么处理Ctrl+C硬件中断。要不然creat_open_fifo在前的话，阻塞在mkfifo上，系统还不知道怎么处理Ctrl+C这个硬件中断信号。也就没法删除有名管道文件。这里其实OS应该是处理了，OS的处理就是默认处理方式。即干死当前进程，但是没有删除管道文件。

如果creat_open_fifo在signal之前，会出现进程被干死了，但是有名管道文件没有被删除的情况。

参考：Linux有名管道的 阻塞VS非阻塞 读写

有名管道双向通信

使用一个有名管道是无法实现双向通信的，道理同无名管道，即存在抢读问题。

单独启动2个进程

p1.c

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

#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"

void print_err(char *estr)
{
    perror(estr);
    exit(-);
}    

int creat_open_fifo(char *fifoname, int open_mode)
{
    int ret = -;
    int fd = -;    

    ret = mkfifo(fifoname, );
    //如果mkfifo函数出错了，但是这个错误是EEXIST，不报这个错误（忽略错误）
    if(ret == - && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fail");    

    fd = open(fifoname, open_mode);
    if(fd == -) print_err("open fail");

    return fd;
}

void signal_fun(int signo)
{
    //unlink();
    remove(FIFONAME1);
    remove(FIFONAME2);
    exit(-);
}

int main(void)
{
    char buf[] = {};
    int ret = -;
    int fd1 = -;
    int fd2 = -;

    fd1 = creat_open_fifo(FIFONAME1, O_WRONLY);
    fd2 = creat_open_fifo(FIFONAME2, O_RDONLY);

    while()
    {
        bzero(buf, sizeof(buf));
        scanf("%s", buf);
        write(fd1, buf, sizeof(buf));    

        read(fd2, buf, sizeof(buf));
    }
    return ;
}

p2.c

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

#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"

void print_err(char *estr)
{
    perror(estr);
    exit(-);
}    

int creat_open_fifo(char *fifoname, int open_mode)
{
    int ret = -;
    int fd = -;    

    ret = mkfifo(fifoname, );
    //如果mkfifo函数出错了，但是这个错误是EEXIST，不报这个错误（忽略错误）
    if(ret == - && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fail");    

    fd = open(fifoname, open_mode);
    if(fd == -) print_err("open fail");

    return fd;
}

void signal_fun(int signo)
{
    //unlink();
    remove(FIFONAME1);
    remove(FIFONAME2);
    exit(-);
}

int main(void)
{
    char buf[] = {};
    int ret = -;
    int fd1 = -;
    int fd2 = -;

    fd1 = creat_open_fifo(FIFONAME1, O_RDONLY);
    fd2 = creat_open_fifo(FIFONAME2, O_WRONLY);

    while()
    {
        bzero(buf, sizeof(buf));
        scanf("%s", buf);
        read(fd1, buf, sizeof(buf));
        printf("recv:%s\n", buf);
        write(fd2, buf, sizeof(buf));
    }
    return ;
}

这2个代码体验及其糟糕，p2；里面read在write之前，read会阻塞p2。这也是没办法避免的，read和write放一块就会出问题。解决之道

代码

p1.c

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

#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"

void print_err(char *estr)
{
    perror(estr);
    exit(-);
}    

int creat_open_fifo(char *fifoname, int open_mode)
{
    int ret = -;
    int fd = -;    

    ret = mkfifo(fifoname, );
    //如果mkfifo函数出错了，但是这个错误是EEXIST，不报这个错误（忽略错误）
    if(ret == - && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fail");    

    fd = open(fifoname, open_mode);
    if(fd == -) print_err("open fail");

    return fd;
}

void signal_fun(int signo)
{
    //unlink();
    remove(FIFONAME1);
    remove(FIFONAME2);
    exit(-);
}

int main(void)
{
    char buf[] = {};
    int ret = -;
    int fd1 = -;
    int fd2 = -;

    fd1 = creat_open_fifo(FIFONAME1, O_WRONLY);
    fd2 = creat_open_fifo(FIFONAME2, O_RDONLY);

    ret = fork();
    if(ret > )
    {
        signal(SIGINT, signal_fun);
        while()
        {
            bzero(buf, sizeof(buf));
            scanf("%s", buf);
            write(fd1, buf, sizeof(buf));
        }
    }
    else if(ret == )
    {
        while()
        {
            bzero(buf, sizeof(buf));
            read(fd2, buf, sizeof(buf));
            printf("%s\n", buf);
        }
    }

    return ;
}    

p2.c

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

#define FIFONAME1 "./fifo1"
#define FIFONAME2 "./fifo2"

void print_err(char *estr)
{
    perror(estr);
    exit(-);
}    

int creat_open_fifo(char *fifoname, int open_mode)
{
    int ret = -;
    int fd = -;    

    ret = mkfifo(fifoname, );
    //如果mkfifo函数出错了，但是这个错误是EEXIST，不报这个错误（忽略错误）
    if(ret == - && errno!=EEXIST) print_err("mkfifo fail");    

    fd = open(fifoname, open_mode);
    if(fd == -) print_err("open fail");

    return fd;
}

void signal_fun(int signo)
{
    //unlink();
    remove(FIFONAME1);
    remove(FIFONAME2);
    exit(-);
}

int main(void)
{
    char buf[] = {};
    int ret = -;
    int fd1 = -;
    int fd2 = -;

    fd1 = creat_open_fifo(FIFONAME1, O_RDONLY);
    fd2 = creat_open_fifo(FIFONAME2, O_WRONLY);

    ret = fork();
    if(ret > )
    {
        signal(SIGINT, signal_fun);
        while()
        {
            bzero(buf, sizeof(buf));
            read(fd1, buf, sizeof(buf));
            printf("recv:%s\n", buf);
        }
    }
    else if(ret == )
    {
        while()
        {
            bzero(buf, sizeof(buf));
            scanf("%s", buf);
            write(fd2, buf, sizeof(buf));

        }
    }

    return ;
}    

注意：父子进程的buf是不一样的，这得益于子进程继承父进程。

处理Ctrl+C硬件中断，只有父进程做了扫尾工作（即删除管道文件），然后父进程正常终止（调用exit(-1)）。子进程采用默认处理方式，即被OS直接干死。

 网状通信

每一个节点想象成一个进程

不管是无名管道、还是有名管道，实现网状通信都很困难