管道
管道是Unix系統IPC的最古老方式，有兩種局限性：
（1） 歷史上它們是半雙工的（即數據只能在一個方向上流動），雖然現在某些系統提供了全雙工管道，但是為了可移植性，不要抱有絕對的全雙工假設。
（2） 管道只能在具有公共祖先的兩個進程之間使用（一般都是用於父子進程之間）。
管道是通過調用pipe函數創建的：
| #include <unistd.h> int pipe(int fd[2]); 返回值：成功，返回0；失敗，返回-1 說明： fd返回兩個文件描述符：fd[0]用於讀，fd[1]用於寫，fd[1]的輸出剛好是fd[0]的輸入。 即shell為每一條命令單獨創建一個進程，然后管道將前一條命令的標准輸出與后一條命令的標准輸入相連接。 注： POSIX.1允許實現支持全雙工管道，對於這些實現，fd[0]和fd[1]以讀/寫方式打開。 |
如下給出了兩種描繪半雙工管道的方法，左圖中管道的兩端在一個進程中相互連接，右圖中則強調數據需要通過內核在管道中流動：
管道通常在單個進程中沒有太大用處，下圖顯示了父子進程之間的管道：進程先調用pipe，接着調用fork，從而創建從父進程到子進程的IPC管道：
fork之后具體要做什么取決於我們想要的數據流的方向。對於從父進程到子進程的管道，父進程關閉管道的讀端（fd[0]），子進程關閉管道的寫端（fd[1]）：
當管道的一端被關閉后，下列兩條規則起作用：
（1） 當read一個寫端已被關閉的管道時，在所有數據都被讀取后，read返回0，表示文件結束。
（2） 當write一個讀端已被關閉的管道時，則產生信號SIGPIPE，如果忽略該信號或者捕捉該信號並從其處理程序返回，則write返回-1，errno設置為EPIPE。
如下為管道程序實例：
實例一：創建一個從父進程到子進程的管道，並且父進程經由該管道向子進程傳送數據：
1 [root@benxintuzi ipc]# cat pipe1.c 2 #include <unistd.h> 3 #include <stdio.h> 4 5 #define MAXLINE 1024 6 7 int main(void) 8 { 9 int n; 10 int fd[2]; 11 pid_t pid; 12 char line[MAXLINE]; 13 14 if (pipe(fd) < 0) 15 printf("pipe error\n"); 16 if ((pid = fork()) < 0) { 17 printf("fork error\n"); 18 } else if (pid > 0) { /* parent */ 19 close(fd[0]); 20 write(fd[1], "hello world\n", 12); /* write data to fd[1] */ 21 } else { /* child */ 22 close(fd[1]); 23 n = read(fd[0], line, MAXLINE); /* read data from fd[0] */ 24 write(STDOUT_FILENO, line, n); /* write data to standard output */ 25 } 26 27 return (0); 28 } 29 30 [root@benxintuzi ipc]# ./pipe1 31 [root@benxintuzi ipc]# hello world 32 33 [root@benxintuzi ipc]#
實例二：編寫一個程序，其功能是每次一頁地顯示已產生的輸出。為了避免先將所有數據寫到一個臨時文件中，然后再調用系統中有關程序顯示該文件，我們希望通過管道將輸出直接送到分頁程序。為此，先創建一個管道，fork一個子進程，使子進程的標准輸入成為管道的讀端，然后調用exec，執行分頁程序：（說明點：1. 在調用fork之前，先創建一個管道。調用fork之后，父進程關閉讀端，子進程關閉寫端，然后子進程調用dup2，使其標准輸入成為管道的讀端。當執行分頁程序時，其標准輸入就是管道的讀端了; 2. 我們使用環境變量PAGER來獲得用戶分頁程序名，如果沒有成功，則使用系統默認值，這是環境變量的常見用法。）
1 [root@benxintuzi ipc]# cat pipe2.c 2 #include <unistd.h> 3 #include <sys/wait.h> 4 #include <stdio.h> 5 6 #define DEF_PAGER "/bin/more" /* default pager program */ 7 #define MAXLINE 1024 8 9 int main(int argc, char *argv[]) 10 { 11 int n; 12 int fd[2]; 13 pid_t pid; 14 char *pager, *argv0; 15 char line[MAXLINE]; 16 FILE *fp; 17 18 if (argc != 2) 19 { 20 printf("usage: a.out <pathname>\n"); 21 return (-1); 22 } 23 24 if ((fp = fopen(argv[1], "r")) == NULL) 25 printf("can't open %s\n", argv[1]); 26 if (pipe(fd) < 0) 27 printf("pipe error\n"); 28 29 if ((pid = fork()) < 0) { 30 printf("fork error\n"); 31 } else if (pid > 0) { /* parent */ 32 close(fd[0]); /* close read end */ 33 34 /* parent copies argv[1] to pipe */ 35 while (fgets(line, MAXLINE, fp) != NULL) { 36 n = strlen(line); 37 if (write(fd[1], line, n) != n) 38 printf("write error to pipe\n"); 39 } 40 if (ferror(fp)) 41 printf("fgets error\n"); 42 43 close(fd[1]); /* close write end of pipe for reader */ 44 45 if (waitpid(pid, NULL, 0) < 0) 46 printf("waitpid error\n"); 47 return (0); 48 } else { /* child */ 49 close(fd[1]); /* close write end */ 50 if (fd[0] != STDIN_FILENO) { 51 if (dup2(fd[0], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO) 52 printf("dup2 error to stdin\n"); 53 close(fd[0]); /* don't need this after dup2 */ 54 } 55 56 /* get arguments for execl() */ 57 if ((pager = getenv("PAGER")) == NULL) 58 pager = DEF_PAGER; 59 if ((argv0 = strrchr(pager, '/')) != NULL) 60 argv0++; /* step past rightmost slash */ 61 else 62 argv0 = pager; /* no slash in pager */ 63 64 if (execl(pager, argv0, (char *)0) < 0) 65 printf("execl error for %s\n", pager); 66 } 67 return (0); 68 } 69 [root@benxintuzi ipc]# ./pipe2 pipe2.c 70 #include <unistd.h> 71 #include <sys/wait.h> 72 #include <stdio.h> 73 74 #define DEF_PAGER "/bin/more" /* default pager program */ 75 #define MAXLINE 1024 76 77 int main(int argc, char *argv[]) 78 { 79 int n; 80 int fd[2]; 81 pid_t pid; 82 char *pager, *argv0; 83 char line[MAXLINE]; 84 FILE *fp; 85 86 if (argc != 2) 87 { 88 printf("usage: a.out <pathname>\n"); 89 return (-1); 90 } 91 92 if ((fp = fopen(argv[1], "r")) == NULL) 93 printf("can't open %s\n", argv[1]); 94 if (pipe(fd) < 0) 95 printf("pipe error\n"); 96 97 if ((pid = fork()) < 0) { 98 printf("fork error\n"); 99 } else if (pid > 0) { /* parent */ 100 close(fd[0]); /* close read end */ 101 102 /* parent copies argv[1] to pipe */ 103 while (fgets(line, MAXLINE, fp) != NULL) { 104 --More--
實例三：父子進程同步函數的管道實現：TELL_WAIT、TELL_PARENT、TELL_CHILD、WAIT_PARENT、WAIT_CHILD：（說明點：父進程在調用TELL_CHILD時，經由上一個管道寫一個字符“p”，子進程在調用TELL_PARENT時，經由下一個管道寫一個字符“c”，相應的WAIT_XXX函數調用read讀一個字符，沒有讀到字符時則阻塞）
1 static int pfd1[2], pfd2[2]; 2 3 void TELL_WAIT(void) 4 { 5 if (pipe(pfd1) < 0 || pipe(pfd2) < 0) 6 printf("pipe error\n"); 7 } 8 9 void TELL_PARENT(pid_t pid) 10 { 11 if (write(pfd2[1], "c", 1) != 1) 12 printf("write error\n"); 13 } 14 15 void WAIT_PARENT(void) 16 { 17 char c; 18 19 if (read(pfd1[0], &c, 1) != 1) 20 printf("read error\n"); 21 22 if (c != 'p') 23 { 24 printf("WAIT_PARENT: incorrect data\n"); 25 return ; 26 } 27 28 } 29 30 void TELL_CHILD(pid_t pid) 31 { 32 if (write(pfd1[1], "p", 1) != 1) 33 printf("write error\n"); 34 } 35 36 void WAIT_CHILD(void) 37 { 38 char c; 39 40 if (read(pfd2[0], &c, 1) != 1) 41 printf("read error\n"); 42 43 if (c != 'c') 44 { 45 printf("WAIT_CHILD: incorrect data\n"); 46 return ; 47 } 48 }
常見的操作是創建一個連接到另一個進程的管道，然后讀其輸出或向其輸入端發送數據，為此，標准I/O庫提供了兩個函數popen和pclose。這兩個函數的功能是：創建一個管道，fork一個子進程，關閉未使用的管道端，然后執行一個shell運行命令，等待命令終止（使用popen可以減少代碼編寫量）。
| #include <stdio.h> FILE* popen(const char* cmdstring, const char* type); 返回值：成功，返回文件指針；失敗，返回NULL int pclose(FILE* fp); 返回值：成功，返回cmdstring的終止狀態；失敗，返回-1 說明： 函數popen先執行fork，然后調用exec執行cmdstring，並且返回一個標准I/O文件指針。如果type是r，則文件指針連接到cmdstring的標准輸出；如果type是w，則文件指針連接到cmdstring的標准輸入，見下圖： pclose函數關閉標准I/O流，等待命令終止，然后返回shell的終止狀態。 cmdstring由Bourne shell以下列方式執行：sh –c cmdstring |
shell命令${PAGER:-more}的意思是：如果shell變量PAGER已經定義，且其值非空，則使用其值，否則使用字符串more。利用popen函數重寫實例二：
1 [root@benxintuzi ipc]# cat pipe3.c 2 #include <stdio.h> 3 #include <sys/wait.h> 4 5 #define MAXLINE 1024 6 #define PAGER "${PAGER:-more}" /* environment variable, or default */ 7 8 int main(int argc, char *argv[]) 9 { 10 char line[MAXLINE]; 11 FILE *fpin, *fpout; 12 13 if (argc != 2) 14 { 15 printf("usage: a.out <pathname>\n"); 16 return (-1); 17 } 18 19 if ((fpin = fopen(argv[1], "r")) == NULL) 20 printf("can't open %s\n", argv[1]); 21 22 if ((fpout = popen(PAGER, "w")) == NULL) 23 printf("popen error\n"); 24 25 /* copy argv[1] to pager */ 26 while (fgets(line, MAXLINE, fpin) != NULL) { 27 if (fputs(line, fpout) == EOF) 28 printf("fputs error to pipe\n"); 29 } 30 if (ferror(fpin)) 31 printf("fgets error\n"); 32 if (pclose(fpout) == -1) 33 printf("pclose error\n"); 34 35 return (0); 36 } 37 [root@benxintuzi ipc]# ./pipe3 pipe2.c 38 #include <unistd.h> 39 #include <sys/wait.h> 40 #include <stdio.h> 41 42 #define DEF_PAGER "/bin/more" /* default pager program */ 43 #define MAXLINE 1024 44 45 int main(int argc, char *argv[]) 46 { 47 int n; 48 int fd[2]; 49 pid_t pid; 50 char *pager, *argv0; 51 char line[MAXLINE]; 52 FILE *fp; 53 54 if (argc != 2) 55 { 56 printf("usage: a.out <pathname>\n"); 57 return (-1); 58 } 59 60 if ((fp = fopen(argv[1], "r")) == NULL) 61 printf("can't open %s\n", argv[1]); 62 if (pipe(fd) < 0) 63 printf("pipe error\n"); 64 65 if ((pid = fork()) < 0) { 66 printf("fork error\n"); 67 } else if (pid > 0) { /* parent */ 68 close(fd[0]); /* close read end */ 69 70 /* parent copies argv[1] to pipe */ 71 while (fgets(line, MAXLINE, fp) != NULL) { 72 --More--
協同進程：
當一個進程既要產生某個程序的輸入，又讀取該程序的輸出時，它就變成了協同進程（coprocess）。協同進程通常在shell后台運行，其標准輸入和標准輸出通過管道連接到另一個程序。popen只提供連接到另一個進程的標准輸入或標准輸出的一個單向管道，而協同進程則有連接到另一個進程的兩個單向管道：一個連接到其標准輸入，另一個則來自其標准輸出。
實例：從標准輸入讀取兩個數，計算它們的和，然后將和寫至其標准輸出。
1 [root@benxintuzi ipc]# cat coprocess.c 2 #include <unistd.h> 3 #include <stdio.h> 4 5 #define MAXLINE 1024 6 7 int main(void) 8 { 9 int n, int1, int2; 10 char line[MAXLINE]; 11 12 while ((n = read(STDIN_FILENO, line, MAXLINE)) > 0) { 13 line[n] = 0; /* null terminate */ 14 if (sscanf(line, "%d%d", &int1, &int2) == 2) { 15 sprintf(line, "%d\n", int1 + int2); 16 n = strlen(line); 17 if (write(STDOUT_FILENO, line, n) != n) 18 printf("write error\n"); 19 } else { 20 if (write(STDOUT_FILENO, "invalid args\n", 13) != 13) 21 printf("write error\n"); 22 } 23 } 24 25 return (0); 26 } 27 28 [root@benxintuzi ipc]# ./coprocess 29 1 2 30 3 31 10 20 32 30 33 100 200 34 300 35 ^C 36 [root@benxintuzi ipc]#
實例：將上述程序編譯成為add2協同進程，然后下列程序創建了兩個管道，父進程、子進程各自關閉了它們不需要的管道端，必須使用兩個管道：一個用作協同進程的標准輸入，另一個用作它的標准輸出。然后子進程調用dup2使管道描述符移至其標准輸入和標准輸出，最后調用了excel執行add2：
1 [root@benxintuzi ipc]# gcc coprocess.c -o add2 2 [root@benxintuzi ipc]# cat coprocess2.c 3 #include <unistd.h> 4 #include <signal.h> 5 #include <stdio.h> 6 7 #define MAXLINE 1024 8 9 static void sig_pipe(int); /* our signal handler */ 10 11 int main(void) 12 { 13 int n, fd1[2], fd2[2]; 14 pid_t pid; 15 char line[MAXLINE]; 16 17 if (signal(SIGPIPE, sig_pipe) == SIG_ERR) 18 printf("signal error\n"); 19 20 if (pipe(fd1) < 0 || pipe(fd2) < 0) 21 printf("pipe error\n"); 22 23 if ((pid = fork()) < 0) { 24 printf("fork error\n"); 25 } else if (pid > 0) { /* parent */ 26 close(fd1[0]); 27 close(fd2[1]); 28 29 while (fgets(line, MAXLINE, stdin) != NULL) { 30 n = strlen(line); 31 if (write(fd1[1], line, n) != n) 32 printf("write error to pipe\n"); 33 if ((n = read(fd2[0], line, MAXLINE)) < 0) 34 printf("read error from pipe\n"); 35 if (n == 0) { 36 printf("child closed pipe\n"); 37 break; 38 } 39 line[n] = 0; /* null terminate */ 40 if (fputs(line, stdout) == EOF) 41 printf("fputs error\n"); 42 } 43 44 if (ferror(stdin)) 45 printf("fgets error on stdin\n"); 46 exit(0); 47 } else { /* child */ 48 close(fd1[1]); 49 close(fd2[0]); 50 if (fd1[0] != STDIN_FILENO) { 51 if (dup2(fd1[0], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO) 52 printf("dup2 error to stdin\n"); 53 close(fd1[0]); 54 } 55 56 if (fd2[1] != STDOUT_FILENO) { 57 if (dup2(fd2[1], STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO) 58 printf("dup2 error to stdout\n"); 59 close(fd2[1]); 60 } 61 if (execl("./add2", "add2", (char *)0) < 0) 62 printf("execl error\n"); 63 } 64 exit(0); 65 } 66 67 static void sig_pipe(int signo) 68 { 69 printf("SIGPIPE caught\n"); 70 exit(1); 71 } 72 73 [root@benxintuzi ipc]# ./coprocess2 74 100 50 75 150 76 100 500 77 600
FIFO
FIFO有時被稱為命名管道，未命名的管道只能在兩個相關的進程之間使用，而且這兩個相關的進程還要有一個共同的祖先進程。但是，通過FIFO，不相關的進程之間也能交換數據。
使用如下函數創建FIFO：
| #include <sys/stat.h> int mkfifo(const char* path, mode_t mode); int mkfifoat(int fd, const char* path, mode_t mode); 返回值：成功，返回0；失敗，返回-1 說明： mkfifoat與mkfifo相似，像之前其他*at系列函數一樣，有3種情形： （1） 如果path參數指定了絕對路徑名，則fd被忽略，此時mkfifoat和mkfifo一樣。 （2） 如果path參數指定了相對路徑名，則fd參數是一個打開目錄的有效文件描述符，路徑名和目錄有關。 （3） 如果path參數指定了相對路徑名，並且fd參數指定了AT_FDCWD，則路徑名以當前目錄開始，mkfifoat和mkfifo類似。 當我們使用mkfifo或者mkfifoat函數創建FIFO時，要用open打開，確是，正常的I/O函數（如close、read、write、unlink）都需要FIFO。當open一個FIFO時，非阻塞標志（O_NONBLOCK）會產生如下影響： （1） 沒有指定O_NONBLOCK時，只讀open要阻塞到某個其他進程為寫而打開這個FIFO為止。類似地，只寫open要阻塞到某個其他進程為讀而打開這個FIFO為止。 （2） 如果指定了P_NONBLOCK，則只讀open立即返回。但是，如果沒有進程為讀而打開這個FIFO，那么只寫open將返回-1，並將errno設置為ENXIO。 一個給定的FIFO有多個寫進程是很常見的，這就意味着，如果不希望多個進程所寫的數據交叉，則必須考慮原子寫操作。和管道一樣，常量PIPE_BUF說明了可被原子地寫到FIFO的最大數據量。 |
FIFO主要有以下兩種用途：
（1） shell命令使用FIFO將數據從一條管道傳送到另一條管道，無需創建中間臨時文件。
實例：考慮這樣一個過程，他需要對一個輸入文件進行兩次處理，示意圖如下：
我們可以使用FIFO和tee命令如下處理：
mkfifo fifo1
prog3 < fifo1 &
prog1 < （輸入文件） | tee fifo1 | prog2
執行流程如下：
（2） 客戶進程-服務器進程應用程序中，FIFO用作匯聚點，在客戶進程和服務器進程之間傳遞數據。
實例：有一個服務器進程，它與很多客戶進程相關，每個客戶進程都可將請求寫到一個該服務器進程創建的FIFO中。由於該FIFO有多個寫進程，因此客戶進程每次發送給服務器的數據長度要小於PIPE_BUF字節，這樣就能避免客戶進程之間的寫交叉。
但是這種類型的FIFO設計有問題，服務器如何回應各個客戶進程呢？一種解決方法是，每個客戶進程都在其請求中包含它的進程ID，然后服務器進程為每個客戶進程創建一個FIFO，所使用的路徑名是以客戶進程的進程ID為基礎的。例如，服務進程可以用名字/tmp/serv1.XXXXX創建FIFO，其中XXXXX被替換成客戶進程的進程ID，如下圖所示：
