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管道技术是Linux的一种基本的进程间通信技术。在本文中,我们将为读者介绍管道技术的模型,匿名管道和命名管道技术的定义和区别,以及这两种管道的创建方法。同时,阐述如何在应用程序和命令行中通过管道进行通信的详细方法。

    一、管道技术模型 

    管道技术是Linux操作系统中历来已久的一种进程间通信机制。所有的管道技术,无论是半双工的匿名管道,还是命名管道,它们都是利用FIFO排队模型来指挥进程间的通信。对于管道,我们可以形象地把它们当作是连接两个实体的一个单向连接器。例如,请看下面的命令:
  

ls -1 | wc -l


    该命令首先创建两个进程,一个对应于ls –1,另一个对应于wc –l。然后,把第一个进程的标准输出设为第二个进程的标准输入(如图1所示)。它的作用是计算当前目录下的文件数量。

Linux下的管道编程技术(图一)

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图1:管道示意图 



    如上图所示,前面的例子实际上就是在两个命令之间建立了一根管道(有时我们也将之称为命令的流水线操作)。第一个命令ls执行后产生的输出作为了第二个命令wc的输入。这是一个半双工通信,因为通信是单向的。两个命令之间的连接的具体工作,是由内核来完成的。下面我们将会看到,除了命令之外,应用程序也可以使用管道进行连接。

二、信号和消息的区别

    我们知道,进程间的信号通信机制在传递信息时是以信号为载体的,但管道通信机制的信息载体是消息。那么信号和消息之间的区别在哪里呢? 

    首先,在数据内容方面,信号只是一些预定义的代码,用于表示系统发生的某一状况;消息则为一组连续语句或符号,不过量也不会太大。在作用方面,信号担任进程间少量信息的传送,一般为内核程序用来通知用户进程一些异常情况的发生;消息则用于进程间交换彼此的数据。 

    在发送时机方面,信号可以在任何时候发送;信息则不可以在任何时刻发送。在发送者方面,信号不能确定发送者是谁;信息则知道发送者是谁。在发送对象方面,信号是发给某个进程;消息则是发给消息队列。在处理方式上,信号可以不予理会;消息则是必须处理的。在数据传输效率方面,信号不适合进大量的信息传输,因为它的效率不高;消息虽然不适合大量的数据传送,但它的效率比信号强,因此适于中等数量的数据传送。 

    三、管道和命名管道的区别 

    我们知道,命名管道和管道都可以在进程间传送消息,但它们也是有区别的。 

    管道技术只能用于连接具有共同祖先的进程,例如父子进程间的通信,它无法实现不同用户的进程间的信息共享。再者,管道不能常设,当访问管道的进程终止时,管道也就撤销。这些限制给它的使用带来不少限制,但是命名管道却克服了这些限制。 

    命名管道也称为FIFO,是一种永久性的机构。FIFO文件也具有文件名、文件长度、访问许可权等属性,它也能像其它Linux文件那样被打开、关闭和删除,所以任何进程都能找到它。换句话说,即使是不同祖先的进程,也可以利用命名管道进行通信。 

    如果想要全双工通信,那最好使用Sockets API。下面我们分别介绍这两种管道,然后详细说明用来进行管道编程的编程接口和系统级命令。

四、管道编程技术 

    在程序中利用管道进行通信时,根据通信主体大体可以分为两种情况:一种是具有共同祖先的进程间的通信,比较简单;另一种是任意进程间通信,相对较为复杂。下面我们先从较为简单的进程内通信开始介绍。 

    1. 具有共同祖先的进程间通信管道编程 

    为了了解管道编程技术,我们先举一个例子。在这个例中,我们将在进程中新建一个管道,然后向它写入一个消息,管道读取消息后将其发出。代码如下所示: 

    示例代码1:管道程序示例 

1: #include <unistd.h> 2: #include <stdio.h> 3: #include <string.h> 4: 5: #define MAX_LINE 80 6: #define PIPE_STDIN 0 7: #define PIPE_STDOUT 1 8: 9: int main() 10: ...{ 11: const char *string=...{"A sample message."}; 12: int ret, myPipe[2]; 13: char buffer[MAX_LINE+1]; 14: 15: /**//* 建立管道 */ 16: ret = pipe( myPipe ); 17: 18: if (ret == 0) ...{ 19: 20: /**//* 将消息写入管道 */ 21: write( myPipe[PIPE_STDOUT], string, strlen(string) ); 22: 23: /**//* 从管道读取消息 */ 24: ret = read( myPipe[PIPE_STDIN], buffer, MAX_LINE ); 25: 26: /**//* 利用Null结束字符串 */ 27: buffer[ ret ] = 0; 28: 29: printf("%s\n", buffer); 30: 31: } 32: 33: return 0; 34: }

   
    上面的示例代码中,我们利用pipe调用新建了一个管道,参见第16行代码。 我们还建立了一个由两个元素组成的数组,用来描述我们的管道。我们的管道被定义为两个单独的文件描述符,一个用来输入,一个用来输出。我们能从管道的一端输入,然后从另一端读出。如果调用成功,pipe函数返回值为0。返回后,数组myPipe中存放的是两个新的文件描述符,其中元素myPipe[1]包含的文件描述符用于管道的输入,元素myPipe[0] 包含的文件描述符用于管道的输出。

    在第21行代码,我们利用write函数把消息写入管道。站在应用程序的角度,它是在向stdout输出。现在,该管道存有我们的消息,我们可以利用第24行的read函数来读它。对于应用程序来说,我们是利用stdin描述符从管道读取消息的。read函数把从管道读取的数据存放到buffer变量中。然后在buffer变量的末尾添加一个NULL,这样就能利用printf函数正确的输出它了。在本例中的管道可以利用下图解释:

Linux下的管道编程技术(图二)

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图2:示例代码1中半双工管道的示意图

    这个例子中,通信是在具有共同祖先的进程间发生的,即父进程和子进程通信。这样做局限性太大,但我们只是用它来给读者一个感性的认识。接下来,我们将介绍更为高级的进程间的管道通信。

 2.进程间通信管道编程 

    在利用管道技术进行编程时,处理要用到上面介绍的pipe函数外,还用到另外三个函数,如下所示。

 pipe函数:该函数用于创建一个新的匿名管道。

 dup函数:该函数用于拷贝文件描述符。

 mkfifo函数:该函数用于创建一个命名管道(fifo)。 

    当然,在管道通信过程中还用到其它函数,到时我们会加以介绍。需要注意的是,说到底,管道无非就是一对文件描述符,因此任何能够操作文件操作符的函数都可以使用管道。这包括但不限于这些函数:select、read、write、 fcntl、freopen,等等。 

    2.1函数pipe 

    函数pipe用来建立一个新的管道,该管道用两个文件描述符进行描述。函数pipe的原型如下所示:

#include <unistd.h> int pipe( int fds[2] );

    当调用成功时,函数pipe返回值为0,否则返回值为-1。成功返回时,数组fds被填入两个有效的文件描述符。数组的第一个元素中的文件描述符供应用程序读取之用,数组的第二个元素中的文件描述符可以用来供应用程序写入。 

    下面我们考察在一个包含多个进程的应用程序中的管道示例。在该程序中(见示例代码2),第14行用于创建一个管道,然后进程在第16行分叉,变成一个父进程和一个子进程。在子进程中,我们尝试从(在第18行建立的)管道的输入描述符读取,这时该进程将被挂起,直到管道中有可以读取的内容为止。 

    读完后,我们用NULL作为读取的内容的结束符,这样的话,读的这些内容就能使用printf函数正确打印输出了。父进程先是利用存放在thePipe[1]中的“写文件标识符”向管道写入测试字符串,然后就使用wait函数来等待子进程退出。 

    在我们的这个程序中需要加以注意的是,我们的子进程是如何继承父进程利用pipe函数建立的文件描述符的,以及如何利用该文件描述符进行通信的。函数fork一旦执行,子进程会继承父进程的功能和管道的文件描述符,但对于内核来说,父进程和子进程是平等的,它们是独立运行的。也就是说,两个进程分别具有单独的内存空间,它们正是通过pipe函数来互通有无的。

示例代码2:演示两个进程间的管道模型的代码 1: #include <stdio.h> 2: #include <unistd.h> 3: #include <string.h> 4: #include <wait.h> 5: 6: #define MAX_LINE 80 7: 8: int main() 9: ...{ 10: int thePipe[2], ret; 11: char buf[MAX_LINE+1]; 12: const char *testbuf=...{"a test string."}; 13: 14: if ( pipe( thePipe ) == 0 ) ...{ 15: 16: if (fork() == 0) ...{ 17: 18: ret = read( thePipe[0], buf, MAX_LINE ); 19: buf[ret] = 0; 20: printf( "Child read %s\n", buf ); 21: 22: } else ...{ 23: 24: ret = write( thePipe[1], testbuf, strlen(testbuf) ); 25: ret = wait( NULL ); 26: 27: } 28: 29: } 30: 31: return 0; 32: }



    需要注意的是,在这个示例程序中我们没有说明如何关闭管道,因为一旦进程结束,与管道有关的资源将被自动释放。尽管如此,为了养成一种良好的编程习惯,最好利用close调用来关闭管道的描述符,如下所示: 

ret = pipe( myPipe ); ... close( myPipe[0] ); close( myPipe[1] );


    如果管道的写入端关闭,但是还有进程尝试从管道读取的话,将被返回0,用来指出管道已不可用,并且应当关闭它。如果管道的读出端关闭,但是还有进程尝试向管道写入的话,试图写入的进程将收到一个SIGPIPE信号,至于信号的具体处理则要视其信号处理程序而定了。

2.2 dup函数和dup2函数

    dup和dup2也是两个非常有用的调用,它们的作用都是用来复制一个文件的描述符。它们经常用来重定向进程的stdin、stdout和stderr。这两个函数的原型如下所示:

#include <unistd.h> int dup( int oldfd ); int dup2( int oldfd, int targetfd )

    利用函数dup,我们可以复制一个描述符。传给该函数一个既有的描述符,它就会返回一个新的描述符,这个新的描述符是传给它的描述符的拷贝。这意味着,这两个描述符共享同一个数据结构。例如,如果我们对一个文件描述符执行lseek操作,得到的第一个文件的位置和第二个是一样的。下面是用来说明dup函数使用方法的代码片段:

int fd1, fd2; ... fd2 = dup( fd1 );

    需要注意的是,我们可以在调用fork之前建立一个描述符,这与调用dup建立描述符的效果是一样的,子进程也同样会收到一个复制出来的描述符。

    dup2函数跟dup函数相似,但dup2函数允许调用者规定一个有效描述符和目标描述符的id。dup2函数成功返回时,目标描述符(dup2函数的第二个参数)将变成源描述符(dup2函数的第一个参数)的复制品,换句话说,两个文件描述符现在都指向同一个文件,并且是函数第一个参数指向的文件。下面我们用一段代码加以说明:

int oldfd; oldfd = open("app_log", (O_RDWR | O_CREATE), 0644 ); dup2( oldfd, 1 ); close( oldfd );

    本例中,我们打开了一个新文件,称为“app_log”,并收到一个文件描述符,该描述符叫做fd1。我们调用dup2函数,参数为oldfd和1,这会导致用我们新打开的文件描述符替换掉由1代表的文件描述符(即stdout,因为标准输出文件的id为1)。任何写到stdout的东西,现在都将改为写入名为“app_log”的文件中。需要注意的是,dup2函数在复制了oldfd之后,会立即将其关闭,但不会关掉新近打开的文件描述符,因为文件描述符1现在也指向它。 

    下面我们介绍一个更加深入的示例代码。回忆一下本文前面讲的命令行管道,在那里,我们将ls –1命令的标准输出作为标准输入连接到wc –l命令。接下来,我们就用一个C程序来加以说明这个过程的实现。代码如下面的示例代码3所示。 

    在示例代码3中,首先在第9行代码中建立一个管道,然后将应用程序分成两个进程:一个子进程(第13–16行)和一个父进程(第20–23行)。接下来,在子进程中首先关闭stdout描述符(第13行),然后提供了ls –1命令功能,不过它不是写到stdout(第13行),而是写到我们建立的管道的输入端,这是通过dup函数来完成重定向的。在第14行,使用dup2函数把stdout重定向到管道(pfds[1])。之后,马上关掉管道的输入端。然后,使用execlp函数把子进程的映像替换为命令ls –1的进程映像,一旦该命令执行,它的任何输出都将发给管道的输入端。 

    现在来研究一下管道的接收端。从代码中可以看出,管道的接收端是由父进程来担当的。首先关闭stdin描述符(第20行),因为我们不会从机器的键盘等标准设备文件来接收数据的输入,而是从其它程序的输出中接收数据。然后,再一次用到dup2函数(第21行),让stdin变成管道的输出端,这是通过让文件描述符0(即常规的stdin)等于pfds[0]来实现的。关闭管道的stdout端(pfds[1]),因为在这里用不到它。最后,使用execlp函数把父进程的映像替换为命令wc -1的进程映像,命令wc -1把管道的内容作为它的输入(第23行)。

示例代码3:利用C实现命令的流水线操作的代码 1: #include <stdio.h> 2: #include <stdlib.h> 3: #include <unistd.h> 4: 5: int main() 6: ...{ 7: int pfds[2]; 8: 9: if ( pipe(pfds) == 0 ) ...{ 10: 11: if ( fork() == 0 ) ...{ 12: 13: close(1); 14: dup2( pfds[1], 1 ); 15: close( pfds[0] ); 16: execlp( "ls", "ls", "-1", NULL ); 17: 18: } else ...{ 19: 20: close(0); 21: dup2( pfds[0], 0 ); 22: close( pfds[1] ); 23: execlp( "wc", "wc", "-l", NULL ); 24: 25: } 26: 27: } 28: 29: return 0; 30: }


     在该程序中,需要格外关注的是,我们的子进程把它的输出重定向的管道的输入,然后,父进程将它的输入重定向到管道的输出。这在实际的应用程序开发中是非常有用的一种技术。

  2.3 mkfifo函数

    mkfifo函数的作用是在文件系统中创建一个文件,该文件用于提供FIFO功能,即命名管道。前边讲的那些管道都没有名字,因此它们被称为匿名管道,或简称管道。对文件系统来说,匿名管道是不可见的,它的作用仅限于在父进程和子进程两个进程间进行通信。而命名管道是一个可见的文件,因此,它可以用于任何两个进程之间的通信,不管这两个进程是不是父子进程,也不管这两个进程之间有没有关系。Mkfifo函数的原型如下所示:

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

     mkfifo函数需要两个参数,第一个参数(pathname)是将要在文件系统中创建的一个专用文件。第二个参数(mode)用来规定FIFO的读写权限。Mkfifo函数如果调用成功的话,返回值为0;如果调用失败返回值为-1。下面我们以一个实例来说明如何使用mkfifo函数建一个fifo,具体代码如下所示:

int ret; ... ret = mkfifo( "/tmp/cmd_pipe", S_IFIFO | 0666 ); if (ret == 0) ...{ // 成功建立命名管道 } else ...{ // 创建命名管道失败 }

    在这个例子中,利用/tmp目录中的cmd_pipe文件建立了一个命名管道(即fifo)。之后,就可以打开这个文件进行读写操作,并以此进行通信了。命名管道一旦打开,就可以利用典型的输入输出函数从中读取内容。举例来说,下面的代码段向我们展示了如何通过fgets函数来从管道中读取内容:

pfp = fopen( "/tmp/cmd_pipe", "r" ); ... ret = fgets( buffer, MAX_LINE, pfp );

    我们还能向管道中写入内容,下面的代码段向我们展示了利用fprintf函数向管道写入的具体方法:

pfp = fopen( "/tmp/cmd_pipe", "w+ ); ... ret = fprintf( pfp, "Here’s a test string!\n" );


    对命名管道来说,除非写入方主动打开管道的读取端,否则读取方是无法打开命名管道的。Open调用执行后,读取方将被锁住,直到写入方出现为止。尽管命名管道有这样的局限性,但它仍不失为一种有效的进程间通信工具。

    上面介绍的是与管道有关的一些系统调用,下面介绍管道命令相关的系统命令。
五、与管道相关的系统命令

    现在开始,我们来研究与进程间通信密切相关的一些系统命令。首先介绍的是mkfifo命令,它的功能与mkfifo系统调用相似,只不过它是用来在命令行中建立一个命名管道。

    在命令行下建立fifo的专用文件,即命名管道的常用方法有两个,mkfifo命令便是其中之一。mkfifo命令的一般用法如下所示:

mkfifo [options] name

 

    这里的options一般为-m,即模式,用以指出读写权限;name是要创建的管道的名称,必要时可以加上路径。如果我们没有规定权限,该命令会采取默认值0644。这里以一个具体实例来说明如何在/tmp目录下面建立一个称为cmd_pipe的命名管道:

 

$ mkfifo /tmp/cmd_pipe

 

    下面用例子说明如何给命名管道指定读写权限。这里我们先将前面建立的管道删掉,然后重新建立管道,并指定管道的权限为0644,当然您也可以指定其他权限:

 

$ rm cmd_pipe $ mkfifo -m 0644 /tmp/cmd_pipe

 

    上面的权限一经建立,就能够在命令行行下通过此管道进行通信了。比如,可以在一个终端上,利用cat命令来读取管道:

 

$ cat cmd_pipe

 

    当输入该命令后,我们的进程就会被挂起,等待写入程序打开此管道。现在,在另一个终端上利用echo命令向这个命名管道写入:

 

$ echo Hi > cmd_pipe

 

    这个命令结束后,要读取该管道的程序(即cat)将被唤醒,然后结束。为醒目起见,这里列出完整的读取方(也就是读取管道的程序)输入的命令和得到的结果:

 

$ cat cmd_pipe Hi $

 

    由此看来,命名管道不仅在C程序中非常有用,而且在脚本中作用也很大。当然,如果组合使用,效果也是很好的。

    除了mkfifo命令外,mknod命令也可以用来创建命名管道,其用法如下所示:

 

$ mknod cmd_pipe p

 


    该命令执行后,将在当前目录下创建一个命名管道cmd_pipe,p用于指出建立的是命名管道。

    六、小结

    在这篇文章中,我们介绍了管道和命名管道的概念,详细的说明了应用程序和命令行创建管道的方法,以及通过它们进行通信的I/O机制。然后,讨论了如何利用dup和 dup2命令来进行输入输出重定向。我们希望本文能够帮您更好的了解Linux下的管道技术。

 


posted on 2013-01-07 10:05 jackdong 阅读(2589) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: Linux_Unix编程

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