1、 管道概述及相關API應用

1.1 管道相關的關鍵概念

管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一，具有以下特點：

• 管道是半雙工的，數據只能向一個方向流動；需要雙方通信時，需要建立起兩個管道；
• 只能用于父子進程或者兄弟進程之間（具有親緣關系的進程）；
• 單獨構成一種獨立的文件系統：管道對于管道兩端的進程而言，就是一個文件，但它不是普通的文件，它不屬于某種文件系統，而是自立門戶，單獨構成一種文件系統，并且只存在與內存中。
• 數據的讀出和寫入：一個進程向管道中寫的內容被管道另一端的進程讀出。寫入的內容每次都添加在管道緩沖區的末尾，并且每次都是從緩沖區的頭部讀出數據。

1.2管道的創建：

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

該函數創建的管道的兩端處于一個進程中間，在實際應用中沒有太大意義，因此，一個進程在由pipe()創建管道后，一般再fork一個子進程，然后通過管道實現父子進程間的通信（因此也不難推出，只要兩個進程中存在親緣關系，這里的親緣關系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式來進行通信）。

1.3管道的讀寫規則：

管道兩端可分別用描述字fd[0]以及fd[1]來描述，需要注意的是，管道的兩端是固定了任務的。即一端只能用于讀，由描述字fd[0]表示，稱其為管道讀端；另一端則只能用于寫，由描述字fd[1]來表示，稱其為管道寫端。如果試圖從管道寫端讀取數據，或者向管道讀端寫入數據都將導致錯誤發生。一般文件的I/O函數都可以用于管道，如close、read、write等等。

從管道中讀取數據：

• 如果管道的寫端不存在，則認為已經讀到了數據的末尾，讀函數返回的讀出字節數為0；
• 當管道的寫端存在時，如果請求的字節數目大于PIPE_BUF，則返回管道中現有的數據字節數，如果請求的字節數目不大于PIPE_BUF，則返回管道中現有數據字節數（此時，管道中數據量小于請求的數據量）；或者返回請求的字節數（此時，管道中數據量不小于請求的數據量）。注：（PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定義，不同的內核版本可能會有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少為512字節，red hat 7.2中為4096）。

關于管道的讀規則驗證：

/**************
* 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);//確保父進程關閉寫端
            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);
       } 
}
/**************************************************
* 程序輸出結果：
* parent write over
* parent close fd[1] over
* read num is 4   the data read from the pipe is 111
* 附加結論：
* 管道寫端關閉后，寫入的數據將一直存在，直到讀出為止.
****************************************************/ 

向管道中寫入數據：

• 向管道中寫入數據時，linux將不保證寫入的原子性，管道緩沖區一有空閑區域，寫進程就會試圖向管道寫入數據。如果讀進程不讀走管道緩沖區中的數據，那么寫操作將一直阻塞。 
  注：只有在管道的讀端存在時，向管道中寫入數據才有意義。否則，向管道中寫入數據的進程將收到內核傳來的SIFPIPE信號，應用程序可以處理該信號，也可以忽略（默認動作則是應用程序終止）。

對管道的寫規則的驗證1：寫端對讀端存在的依賴性

#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);  //等待子進程完成關閉讀端的操作
            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]);
      }
}

則輸出結果為： Broken pipe,原因就是該管道以及它的所有fork()產物的讀端都已經被關閉。如果在父進程中保留讀端，即在寫完pipe后，再關閉父進程的讀端，也會正常寫入pipe，讀者可自己驗證一下該結論。因此，在向管道寫入數據時，至少應該存在某一個進程，其中管道讀端沒有被關閉，否則就會出現上述錯誤（管道斷裂,進程收到了SIGPIPE信號，默認動作是進程終止）

對管道的寫規則的驗證2：linux不保證寫管道的原子性驗證

結論：

寫入數目小于4096時寫入是非原子的！ 
如果把父進程中的兩次寫入字節數都改為5000，則很容易得出下面結論： 
寫入管道的數據量大于4096字節時，緩沖區的空閑空間將被寫入數據（補齊），直到寫完所有數據為止，如果沒有進程讀數據，則一直阻塞。

1.4管道應用實例：

實例一：用于shell

管道可用于輸入輸出重定向，它將一個命令的輸出直接定向到另一個命令的輸入。比如，當在某個shell程序（Bourne shell或C shell等）鍵入who│wc -l后，相應shell程序將創建who以及wc兩個進程和這兩個進程間的管道。考慮下面的命令行：

$kill -l 
$kill -l | grep SIGRTMIN

實例二：用于具有親緣關系的進程間通信

下面例子給出了管道的具體應用，父進程通過管道發送一些命令給子進程，子進程解析命令，并根據命令作相應處理。

#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);  //等待子進程完成關閉讀端的操作
            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]);
      }
}

輸出結果：
the bytes write to pipe 1000
the bytes write to pipe 1000  //注意，此行輸出說明了寫入的非原子性
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，此行輸出說明了寫入的非原子性
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體現在它的特點上：

• 只支持單向數據流；
• 只能用于具有親緣關系的進程之間；
• 沒有名字；
• 管道的緩沖區是有限的（管道制存在于內存中，在管道創建時，為緩沖區分配一個頁面大小）；
• 管道所傳送的是無格式字節流，這就要求管道的讀出方和寫入方必須事先約定好數據的格式，比如多少字節算作一個消息（或命令、或記錄）等等