Linux - pipe() 管道的使用

原创

Spell Thief

修改于 2020-11-02 10:39:40

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初识 Pipe

pipe , 中文翻译为管道，是 Unix/Linux 系统中一种比较常用的 IPC(Inter Process Communication) 。下面这组 shell 命令，估计大部分人都用过或者见过。

ls | wc -l

ls 和 wc 分别是两个独立的进程。shell 会将 ls 的输出结果作为 wc 的输入结果，然后再由 wc 把处理结果投放到终端上。

[^1] Using a pipe to connect two processes

上图很生动地描绘出这组命令的工作流程。pipe 就像一根圆管，ls 的输出内容流入到圆管的一端 (标准输出)。随后，内容一直流到圆管的另一端 (标准输入) 由 wc 接收。这跟圆管只接受 byte stream，也就是说消息内容是无边界的。

创建 Pipe

#include <unistd.h>

int pipe(int[2] pfd);

我们需要向 pipe() 传入一个大小为 2 的数组，与此同时内核会维护一个临时的 buffer，也就是看不见摸不着的管道。随后，内核会返回管道的读端和写端的文件描述符，它们分别存放于参数数组的第 0 个元素和第 1 个元素。

Pipe的读写

之所以叫 IPC，顾名思义，管道就是用来让两个或者多个进程之间通信，尽管多个进程共享一个管道的情况十分少见，但我们并未被禁止这样做，但我们在大多数情况都绝不应该这样做。管道有两端，一端为写端，另一端为读端。如果一个进程试图往一个空的管道读取数据，那么该进程将会被堵塞，直至管道非空为止。同理，如果一个进程尝试往一个已满的管道塞入更多的内容，此进程一样会被堵塞，直到管道为非满状态。

[^2] Process file descriptors after creating a pipe

调用 pipe() ，再调用 fork() 。尽管，管道是在父进程创建的，但是子进程以拷贝的形式继承父进程的 open file descriptors 。

#include <unistd.h>
#include <iostream>


const int BUFF_SIZE = 11;

int main()
{
    int pfd[2];

    if (pipe(pfd) == -1)
        printf("failed to create a pipe");

    switch (fork())
    {
    case -1:
        printf("failed to create a process");
    

    case 0:
        if (close(pfd[1]) == -1)
            _exit(1);

        char read_buff[BUFF_SIZE];

        int readn = read(pfd[0], read_buff, BUFF_SIZE);

        printf("child process read: %s\n", read_buff);

        _exit(0);
    }

    if (close(pfd[0]) == -1)
        exit(1);

    char write_buff[] = "hello world";

    int writen = write(pfd[1], write_buff, BUFF_SIZE);

    exit(0);

}

输出结果:

[me@localhost Documents]$ ./exe
child process read: hello world

管道闭环

如果子进程是负责读，而父进程负责写的话。那么子进程在读之前必须关闭管道的写端，父进程同样地必须关闭管道的读端。不然就会形成了闭环。

[^3] Setting up a pipe to transfer data from a parent to a child

想要正确使用管道就必须避免出现 (a) 这种情况。每个文件描述都有一个引用计数，在 (a) 的情况下，尽管父进程已经向管道输入完毕并且正确关闭掉管道的读写端，然而子进程不会收到 EOF，那么子进程会永远阻塞下去。

switch (fork())
{
case -1:
    printf("failed to create a process");


case 0:
    // if (close(pfd[1]) == -1)
    //     _exit(1);

    char read_buff[BUFF_SIZE];

    int readn;
    while (readn = read(pfd[0], read_buff, BUFF_SIZE) != 0)
    {
        printf("child process read: %s\n", read_buff);
    }
    
    _exit(0);
}

if (close(pfd[0]) == -1)
    exit(1);

char write_buff[] = "hello world";

int writen = write(pfd[1], write_buff, BUFF_SIZE);
close(pfd[1]);

结语

管道的原理和使用方法都特别简单，但一定要避免出现关闭。也尽量不要有一个以上的进程共享读端或者写端，不然就会出现条件竞争。

参考

[^1] 44.2 Figure 44-2, The Linux Programming Interface

[^2] 44.2 Figure 44-3, The Linux Programming Interface

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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