【Linux】Linux管道揭秘:匿名管道如何连接进程世界

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文章目录

  • [1.什么是管道 ?](#1.什么是管道 ?)
  • [2. 管道的类型](#2. 管道的类型)
    • [2.1 匿名管道](#2.1 匿名管道)
      • [2.1.1 介绍pipe()](#2.1.1 介绍pipe())
      • [2.1.2 pipe()简单示例:父子进程通过管道通信](#2.1.2 pipe()简单示例:父子进程通过管道通信)
      • [2.1.3 管道的4种情况与5种特性](#2.1.3 管道的4种情况与5种特性)
      • [2.1.4 匿名管道原理](#2.1.4 匿名管道原理)
      • [2.1.5 用fork来共享管道的原理](#2.1.5 用fork来共享管道的原理)
      • [2.1.6 站在文件描述符角度-深度理解管道](#2.1.6 站在文件描述符角度-深度理解管道)
      • [2.1.7 站在内核角度-管道的本质](#2.1.7 站在内核角度-管道的本质)
  • [3. 匿名管道总结](#3. 匿名管道总结)

1.什么是管道 ?

管道(Pipe)是一种常见的进程间通信(IPC,Inter-Process Communication)机制,在 Unix/Linux 系统中尤其重要。它允许一个进程的输出直接作为另一个进程的输入,而不需要使用中间文件。管道通常用于将多个命令连接起来,让它们像流水线一样处理数据。

管道在 Unix/Linux 系统中提供了一种简便的机制,允许数据在不同进程之间传递。它提供了一个缓冲区 ,数据写入管道的一端(写端),然后可以从另一端(读端)读取。管道的本质是一种半双工的通信机制,即数据只能沿一个方向流动。
提问:有没有一些直观的管道的利用?

当然。其实早在Linux的指令学习中,我们就已经接触到了管道。就是这个符号|

shell 复制代码
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/pipeTest$ ls -l
total 24
-rwxrwxr-x 1 ubuntu ubuntu 16576 Nov  5 11:41 a.out
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu  1285 Nov  5 11:40 pipeTest1.c
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/pipeTest$ ls -l|grep "pipeTest1.c"
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu  1285 Nov  5 11:40 pipeTest1.c
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/pipeTest$ 

这就是一个管道的简单使用,我们都知道,在大部分Linux的指令都是一个可执行文件,运行起来就是一个进程。ls -l的作用就是显示当前目录文件的信息,现在我们通过|将这个显示的信息通过管道传递给grep,不就实现了两个进程间的相互通信了嘛。这就是管道的核心作用:实现进程间的通信,高效传递数据,避免了使用临时文件的麻烦.

2. 管道的类型

管道存在两种类型:

  1. 匿名管道,用于父子进程或者兄弟进程间的数据传递,没有名字,仅限具有亲缘关系的进程。
  2. 命名进程,具有文件名,可以在不相干的进程间使用。

2.1 匿名管道

匿名管道通过pipe()创建。

2.1.1 介绍pipe()

c 复制代码
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);

pipefd:是一个数组,它包含两个元素,分别是管道的读端和写端的文件描述符。

  • pipefd[0]:读端(用于读取数据)。
  • pipefd[1]:写端(用于写入数据)。
    pipe()创建一个管道,并将两个文件描述符存储在pipefd数组中。管道的数据流是单向的:数据从写端流向读端。
    关于返回值
  • 成功:返回0.
  • 失败:返回-1.
    使用pepe()的基本流程:
  1. 创建管道:调用pipe()函数。
  2. 使用fork()创建一个子进程。
  3. 在父进程关闭写端,使用读端读取数据。
  4. 在子进程中关闭读端,使用写端将数据传输给父进程。

2.1.2 pipe()简单示例:父子进程通过管道通信

c 复制代码
//本代码用来测试子进程提供匿名管道将信息传递给父进程 24/11/5
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdbool.h>
#define SIZE 1024

void writer(int wfd)
{
    char buf[SIZE];
    const char* str = "hello father,i am child";
    int count = 1;
    pid_t id = getpid();
    while(true)
    {
        //格式化输入
        snprintf(buf,sizeof(buf)-1,"message:%s,pid:%d,times:%d",str,id,count);
        write(wfd,buf,strlen(buf));
        count+=1;
        sleep(1);

    }
}

void reader(int rfd)
{
    char buf[SIZE];
    while(true)
    {
        ssize_t n = read(rfd,buf,sizeof(buf)-1);
        if(n == -1)
        {
            perror("read");
            return;
        }
        printf("%s\n",buf);
    }

}

int main()
{
    //文件标识符
    int fd[2];
    if(pipe(fd) < 0)
    {
        //error
        perror("pipe error");
        return 1;
    }
    pid_t id = fork();
    if(id<0)
    {
        perror("fork error");
        return 1;
    }
    else if(id == 0)
    {
        //child
        //关闭读端
        close(fd[0]);
        writer(fd[1]);
        exit(1);
    }
    //father
    close(fd[1]);
    reader(fd[0]);
    wait(NULL);
    return 0;
}

运行结果:

如此我们我们便实现了父子间的管道通信。
pipe() 是一个非常重要的系统调用,它为进程间通信提供了一个简单而高效的机制。通过管道,多个进程可以协作完成任务,并且避免了中间文件的使用。在父子进程之间的通信,或在处理大量数据时,管道通常是最常用的 IPC 方式之一。

2.1.3 管道的4种情况与5种特性

4种情况:

  1. 管道内部没有数据时且子进程不关闭自己的写端文件fd,读端(父)就会堵塞等待,直到pipe有数据,
  2. 管道内部被写满且父进程(读端)不关闭自己的fd,写端写满后,就会堵塞等待。
  3. 对于写端而言:不写了且关闭了pipe,读端会将pipe中的数据读完,最后就会读到返回值为0,表示读结束,类似读到了文件的结尾。
  4. 读端不读且关闭,写再写,OS会直接终结写入的进程(子进程)通过信号13)SIGPIPE来杀死进程。
    5种特性:
  5. 自带同步机制。
  6. 血缘关系进行通信,常见于父子进程。
  7. pipe是面向字节流的。
  8. 父子进程退出,管道自动释放,文件的生命周期是跟随进程的。
  9. 管道只能单向通信,半双工的一种特殊情况。

2.1.4 匿名管道原理

通过父子进程继承关系,再将文件描述符关闭,实现一端写,一端读就是匿名管道.

创建匿名管道的步骤:

  1. 父进程以读写的方式打开,文件。父进程fork创建子进程,子进程会拷贝一份PCB结构,PCB中会包含files_struct结构,files_struct中有一个指向struct file(文件)的指针数组,而文件描述符就是这个数组的下标。
  2. 拷贝完成后,子进程也就存在了指向struct file的对应文件描述符。
  3. 又因为,struct file是独属于的文件的,和进程没有关系,也就不用拷贝,也就是说此时父子进程同时指向了一块公共区域struct file(不同进程看见同一份资源)。
  4. write是系统调用接口,会将数据放在内核缓冲区,底层会定期刷新缓冲区将内容写入磁盘。
  5. 匿名管道是一个半双工的通信机制,也就是说,数据只能沿一个方向流动,为了实现半双工的通信方式,父子进程需要关闭各种不需要的文件描述符。

2.1.5 用fork来共享管道的原理

使用fork后

2.1.6 站在文件描述符角度-深度理解管道

0 1 2 分别为 标准输入,标准输出,标准错误

2.1.7 站在内核角度-管道的本质

Linux下一切皆文件.

所以我们也应该用看待文件的眼观,去理解管道。

我们可以将管道(Pipe)理解为一种特殊类型的文件。实际上,管道确实是由操作系统内部的内存缓冲区实现的,它通过文件描述符来进行访问,就像其他普通文件一样。通过这种类比,我们可以从文件的角度理解管道。

3. 匿名管道总结

通过匿名管道,进程可以轻松地进行数据交换,而不需要借助临时文件或其他外部资源。尽管管道有一些局限性(如单向传输和缓冲区限制),它仍然是许多进程间通信场景中常见的选择。
注意:管道是半双工的,数据只能向一个方向流动,需要双方通信时,可以建立两个管道。

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