2010年12月1日

深刻理解Linux进程间通信(管道、有名管道)

1、 管道概述及相关API应用

1.1 管道相关的关键概念

管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一,具有以下特点:

  • 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,需要建立起两个管道;
  • 只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程);
  • 单独构成一种独立的文件系统:管道对于管道两端的进程而言,就是一个文件,但它不是普通的文件,它不属于某种文件系统,而是自立门户,单独构成一种文件系统,并且只存在与内存中。
  • 数据的读出和写入:一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾,并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

1.2管道的创建:

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

该函数创建的管道的两端处于一个进程中间,在实际应用中没有太大意义,因此,一个进程在由pipe()创建管道后,一般再fork一个子进程,然后通过管道实现父子进程间的通信(因此也不难推出,只要两个进程中存在亲缘关系,这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先,都可以采用管道方式来进行通信)。

1.3管道的读写规则:

管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述,需要注意的是,管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读,由描述字fd[0]表示,称其为管道读端;另一端则只能用于写,由描述字fd[1]来表示,称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据,或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道,如close、read、write等等。

从管道中读取数据:

  • 如果管道的写端不存在,则认为已经读到了数据的末尾,读函数返回的读出字节数为0;
  • 当管道的写端存在时,如果请求的字节数目大于PIPE_BUF,则返回管道中现有的数据字节数,如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF,则返回管道中现有数据字节数(此时,管道中数据量小于请求的数据量);或者返回请求的字节数(此时,管道中数据量不小于请求的数据量)。注:(PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定义,不同的内核版本可能会有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少为512字节,red hat 7.2中为4096)。

关于管道的读规则验证:

/**************
* readtest.c *
**************/
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
main()
{
      int pipe_fd[2];
      pid_t pid;
      char r_buf[100];
      char w_buf[4];
      char* p_wbuf;
      int r_num;   
      int cmd;

      memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
      memset(w_buf,0,sizeof(r_buf));
      p_wbuf=w_buf;
      if(pipe(pipe_fd)<0)
      {
            printf("pipe create error\n");
            return -1;
      }

      if((pid=fork())==0)
      {
            printf("\n");
            close(pipe_fd[1]);
            sleep(3);//确保父进程关闭写端
            r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,100);
            printf( "read num is %d   the data read from the pipe is %d\n",r_num,atoi(r_buf));
            close(pipe_fd[0]);
            exit();
      }
      else if(pid>0)
      {
            close(pipe_fd[0]);//read
            strcpy(w_buf,"111");
            if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!=-1)
            printf("parent write over\n");
            close(pipe_fd[1]);//write
            printf("parent close fd[1] over\n");
            sleep(10);
       }
}
/**************************************************
* 程序输出结果:
* parent write over
* parent close fd[1] over
* read num is 4   the data read from the pipe is 111
* 附加结论:
* 管道写端关闭后,写入的数据将一直存在,直到读出为止.
****************************************************/

向管道中写入数据:

  • 向管道中写入数据时,linux将不保证写入的原子性,管道缓冲区一有空闲区域,写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据,那么写操作将一直阻塞。
    注:只有在管道的读端存在时,向管道中写入数据才有意义。否则,向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIFPIPE信号,应用程序可以处理该信号,也可以忽略(默认动作则是应用程序终止)。

对管道的写规则的验证1:写端对读端存在的依赖性

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main()
{
      int pipe_fd[2];
      pid_t pid;
      char r_buf[4];
      char* w_buf;
      int writenum;
      int cmd;
      memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
      if(pipe(pipe_fd)<0)
      {
            printf("pipe create error\n");
            return -1;
      }
      if((pid=fork())==0)
      {
            close(pipe_fd[0]);
            close(pipe_fd[1]);
            sleep(10);
            exit();
      }
      else if(pid>0)
      {
            sleep(1);  //等待子进程完成关闭读端的操作
            close(pipe_fd[0]);//write
            w_buf="111";
            if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4))==-1)
                  printf("write to pipe error\n");
            else
                  printf("the bytes write to pipe is %d \n", writenum);
            close(pipe_fd[1]);
      }
}





则输出结果为: Broken pipe,原因就是该管道以及它的所有fork()产物的读端都已经被关闭。如果在父进程中保留读端,即在写完pipe后,再关闭父进程的读端,也会正常写入pipe,读者可自己验证一下该结论。因此,在向管道写入数据时,至少应该存在某一个进程,其中管道读端没有被关闭,否则就会出现上述错误(管道断裂,进程收到了SIGPIPE信号,默认动作是进程终止)

对管道的写规则的验证2:linux不保证写管道的原子性验证


结论:

写入数目小于4096时写入是非原子的!
如果把父进程中的两次写入字节数都改为5000,则很容易得出下面结论:
写入管道的数据量大于4096字节时,缓冲区的空闲空间将被写入数据(补齐),直到写完所有数据为止,如果没有进程读数据,则一直阻塞。

1.4管道应用实例:

实例一:用于shell

管道可用于输入输出重定向,它将一个命令的输出直接定向到另一个命令的输入。比如,当在某个shell程序(Bourne shell或C shell等)键入who│wc -l后,相应shell程序将创建who以及wc两个进程和这两个进程间的管道。考虑下面的命令行:

$kill -l
$kill -l | grep SIGRTMIN

实例二:用于具有亲缘关系的进程间通信

下面例子给出了管道的具体应用,父进程通过管道发送一些命令给子进程,子进程解析命令,并根据命令作相应处理。

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
main()
{
      int pipe_fd[2];
      pid_t pid;
      char r_buf[4];
      char* w_buf;
      int writenum;
      int cmd;
      memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
      if(pipe(pipe_fd)<0)
      {
            printf("pipe create error\n");
            return -1;
      }
      if((pid=fork())==0)
      {
            close(pipe_fd[0]);
            close(pipe_fd[1]);
            sleep(10);
            exit();
      }
      else if(pid>0)
      {
            sleep(1);  //等待子进程完成关闭读端的操作
            close(pipe_fd[0]);//write
            w_buf="111";
            if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4))==-1)
                  printf("write to pipe error\n");
            else
                  printf("the bytes write to pipe is %d \n", writenum);   
            close(pipe_fd[1]);
      }
}


输出结果:
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 1000  //注意,此行输出说明了写入的非原子性
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 120  //注意,此行输出说明了写入的非原子性
the bytes write to pipe 0
the bytes write to pipe 0
......

1.5 管道的局限性

管道的主要局限性正体现在它的特点上:

  • 只支持单向数据流;
  • 只能用于具有亲缘关系的进程之间;
  • 没有名字;
  • 管道的缓冲区是有限的(管道制存在于内存中,在管道创建时,为缓冲区分配一个页面大小);
  • 管道所传送的是无格式字节流,这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式,比如多少字节算作一个消息(或命令、或记录)等等

posted @ 2010-12-01 12:42 老周 阅读(482) | 评论 (0)编辑 收藏

深刻理解Linux进程间通信(序)

linux下的进程通信手段基本上是从Unix平台上的进程通信手段继承而来的。而对Unix发展做出重大贡献的两大主力AT&T的贝尔实验室及BSD(加州大学伯克利分校的伯克利软件发布中心)在进程间通信方面的侧重点有所不同。前者对Unix早期的进程间通信手段进行了系统的改进和扩充,形成了“system V IPC”,通信进程局限在单个计算机内;后者则跳过了该限制,形成了基于套接口(socket)的进程间通信机制。Linux则把两者继承了下来,如图示:



 

其中,最初Unix IPC包括:管道、FIFO、信号;System V IPC包括:System V消息队列、System V信号灯、System V共享内存区;Posix IPC包括: Posix消息队列、Posix信号灯、Posix共享内存区。有两点需要简单说明一下:1)由于Unix版本的多样性,电子电气工程协会(IEEE)开发了一个独立的Unix标准,这个新的ANSI Unix标准被称为计算机环境的可移植性操作系统界面(PSOIX)。现有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX标准的,而Linux从一开始就遵循POSIX标准;2)BSD并不是没有涉足单机内的进程间通信(socket本身就可以用于单机内的进程间通信)。事实上,很多Unix版本的单机IPC留有BSD的痕迹,如4.4BSD支持的匿名内存映射、4.3+BSD对可靠信号语义的实现等等。

图一给出了linux 所支持的各种IPC手段,在本文接下来的讨论中,为了避免概念上的混淆,在尽可能少提及Unix的各个版本的情况下,所有问题的讨论最终都会归结到Linux环境下的进程间通信上来。并且,对于Linux所支持通信手段的不同实现版本(如对于共享内存来说,有Posix共享内存区以及System V共享内存区两个实现版本),将主要介绍Posix API。

linux下进程间通信的几种主要手段简介:

  1. 管道(Pipe)及有名管道(named pipe):管道可用于具有亲缘关系进程间的通信,有名管道克服了管道没有名字的限制,因此,除具有管道所具有的功能外,它还允许无亲缘关系进程间的通信;
  2. 信号(Signal):信号是比较复杂的通信方式,用于通知接受进程有某种事件发生,除了用于进程间通信外,进程还可以发送信号给进程本身;linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外,还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction(实际上,该函数是基于BSD的,BSD为了实现可靠信号机制,又能够统一对外接口,用sigaction函数重新实现了signal函数);
  3. 报文(Message)队列(消息队列):消息队列是消息的链接表,包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息,被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少,管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
  4. 共享内存:使得多个进程可以访问同一块内存空间,是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制,如信号量结合使用,来达到进程间的同步及互斥。
  5. 信号量(semaphore):主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
  6. 套接口(Socket):更为一般的进程间通信机制,可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的,但现在一般可以移植到其它类Unix系统上:Linux和System V的变种都支持套接字。

下面将对上述通信机制做具体阐述。

一般来说,linux下的进程包含以下几个关键要素:

  • 有一段可执行程序;
  • 有专用的系统堆栈空间;
  • 内核中有它的控制块(进程控制块),描述进程所占用的资源,这样,进程才能接受内核的调度;
  • 具有独立的存储空间

进程和线程有时候并不完全区分,而往往根据上下文理解其含义

posted @ 2010-12-01 12:16 老周 阅读(147) | 评论 (0)编辑 收藏

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