linux作業系統之程序間通信 --管道

Linux環境下，程序位址空間互相獨立，每個程序各自有不同的使用者位址空間。任何一個程序的全局變量在另一個程序中都看不到，是以程序和程序之間不能互相通路，要交換資料必須通過核心，在核心中開辟一塊緩沖區，程序1把資料從使用者空間拷到核心緩沖區，程序2再從核心緩沖區把資料讀走，核心提供的這種機制稱為程序間通信（IPC，InterProcess Communication）。

在程序間完成資料傳遞需要借助作業系統提供特殊的方法，如：檔案、管道、信号、共享記憶體、消息隊列、套接字、命名管道等。随着計算機的蓬勃發展，一些方法由于自身設計缺陷被淘汰或者棄用。現今常用的程序間通信方式有：

① 管道 (使用最簡單)

② 信号 (開銷最小)

③ 共享映射區 (無血緣關系)

④ 本地套接字 (最穩定)

管道

未名管道（匿名管道）

管道是一種最基本的IPC機制，作用于有血緣關系的程序之間，完成資料傳遞。調用pipe系統函數即可建立一個管道。有如下特質：

1. 其本質是一個僞檔案(實為核心緩沖區)

linux檔案類型：- 檔案 d 目錄 l 符号連結

s 套接字 b塊裝置 c 字元裝置 p 管道 （這四種都是僞檔案）

1. 由兩個檔案描述符引用，一個表示讀端，一個表示寫端。

2. 規定資料從管道的寫端流入管道，從讀端流出。

   管道的原理: 管道實為核心使用環形隊列機制，借助核心緩沖區(4k)實作。

   管道的局限性：

   ① 資料自己讀不能自己寫。

   ② 資料一旦被讀走，便不在管道中存在，不可反複讀取。

   ③ 由于管道采用半雙工通信方式。是以，資料隻能在一個方向上流動。

   ④ 隻能在有公共祖先的程序間使用管道。（有血緣關系的程序）

   常見的通信方式有，單工通信、半雙工通信、全雙工通信。

pipe函數

建立管道

int pipe(int pipefd[2]); 成功：0；失敗：-1，設定errno

函數調用成功傳回r/w兩個檔案描述符。無需open，但需手動close。規定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0對應标準輸入，1對應标準輸出一樣。向管道檔案讀寫資料其實是在讀寫核心緩沖區。

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

int main()
{
    int fd[2];
    int ret =0;
    ret = pipe(fd);
    pid_t pid;
    if(ret == -1)
    {
            perror("pipe error.\n")
            exit(1);
    }
    pid = fork();
    if(pid == -1)
    {
            perror("fork error.\n");
            exit(1);
    }
    else if(pid ==0)
    {
            close(fd[1]);//子程序負責讀，是以關閉寫的描述符
            char buf[1024];
            ret = read(fd[0],buf,sizeof(buf));//從管道讀資料
            if(ret == 0)
            {
                    printf("end.\n");
            }
            write(STDOUT_FILENO,buf,ret);//寫到螢幕
    }
    else
    {
            close(fd[0]);//父程序負責寫，是以關閉讀的描述符
            char *str ="hello ,pipe.";
            write(fd[1],str,strlen(str));
    }
    return  0;
}   
           

FIFO

命名管道

FIFO常被稱為命名管道，以區分管道(pipe)。管道(pipe)隻能用于“有血緣關系”的程序間。但通過FIFO，不相關的程序也能交換資料。

FIFO是Linux基礎檔案類型中的一種。但，FIFO檔案在磁盤上沒有資料塊，僅僅用來辨別核心中一條通道。各程序可以打開這個檔案進行read/write，實際上是在讀寫核心通道，這樣就實作了程序間通信。

建立方式：

1. 指令：mkfifo 管道名

2. 庫函數：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 成功：0； 失敗：-1

一旦使用mkfifo建立了一個FIFO，就可以使用open打開它，常見的檔案I/O函數都可用于fifo。如：close、read、write、unlink等。

有名管道的打開規則：

有名管道比無名管道多了一個打開操作：open

FIFO的打開及讀寫規則：

一、對于FIFO，需要open去打開FIFO的讀端或是寫端的描述符。

1> 如果open的時候沒有指定O_NONBLOCK标志，且open的是讀端時

如果不存在此FIFO的已經打開的寫端時，open會一直阻塞到有FIFO的寫端打開；

如果已經存在此FIFO的打開的寫端時，open會直接成功傳回。

2> 如果open的時候沒有指定O_NONBLOCK标志，且open的是寫端時

如果不存在此FIFO的已經打開的讀端時，open會一直阻塞到有FIFO的讀端打開；

如果已經存在此FIFO的打開的讀端時，open會直接成功傳回。

二、從FIFO或者空管道讀寫

1> read時，讀端fd沒有指定O_NONBLOCK标志

如果存在此FIFO或管道的已經打開的寫端時，阻塞到FIFO或管道中有資料或者FIFO或管道的已經打開的寫端全部被關閉為止。

如果不存在此FIFO或管道的已經打開的寫端時，read傳回0；

2> write時, 同read差不多，就不詳述了。