进程间通信 - 管道
管道是两个或多个相关或相互关联的进程之间的通信介质。它可以是在一个进程内，也可以是子进程和父进程之间的通信。通信也可以是多层次的，例如父进程、子进程和孙进程之间的通信等。通信是通过一个进程向管道写入和另一个进程从管道读取来实现的。要实现管道系统调用，请创建两个文件，一个用于写入文件，另一个用于从文件中读取。
管道机制可以通过实时场景来查看，例如用管道将水注入某个容器（例如水桶），然后有人将其取回（例如用杯子）。填充过程只不过是写入管道，而读取过程只不过是从管道中检索。这意味着一种输出（水）是另一种输出（水桶）的输入。
#include<unistd.h> int pipe(int pipedes[2]);
该系统调用将创建一个用于单向通信的管道，即，它创建两个描述符，第一个描述符连接到从管道读取，另一个描述符连接到写入管道。
描述符pipedes[0]用于读取，pipedes[1]用于写入。写入 Pipedes[1] 的内容都可以从 Pipedes[0] 中读取。
成功时此调用将返回零，失败时返回 -1。要了解失败的原因，请使用 errno 变量或 perror() 函数进行检查。
#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int open(const char *pathname, int flags); int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
尽管文件的基本操作是读取和写入，但在执行操作之前必须打开文件，并在完成所需操作后关闭文件。通常，默认情况下，每个进程都会打开3个描述符，分别用于输入（标准输入-stdin）、输出（标准输出-stdout）和错误（标准错误-stderr），文件描述符分别为0、1和2。
该系统调用将返回一个文件描述符，用于进一步的读/写/查找（lseek）文件操作。通常文件描述符从 3 开始，并随着打开的文件数量增加 1。
传递给 open 系统调用的参数是路径名（相对或绝对路径）、提及打开文件目的的标志（例如，打开以读取、O_RDONLY、写入、O_WRONLY、读取和写入、O_RDWR、附加到现有文件O_APPEND，创建文件（如果不存在则使用 O_CREAT 等）以及为用户或所有者/组/其他人提供读/写/执行权限的所需模式。模式可以用符号来提及。
读取 – 4、写入 – 2 和执行 – 1。
例如：八进制值（从0开始），0764表示所有者有读、写和执行权限，组有读和写权限，其他有读权限。这也可以表示为 S_IRWXU | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH，表示0700|0040|0020|0004→0764的或运算。
如果成功，此系统调用将返回新的文件描述符 id，如果出现错误，则返回 -1。错误原因可以通过 errno 变量或 perror() 函数来识别。
#include<unistd.h> int close(int fd)
上述系统调用关闭已打开的文件描述符。这意味着该文件不再使用，并且关联的资源可以由任何其他进程重用。该系统调用成功时返回零，出错时返回-1。错误原因可以通过 errno 变量或 perror() 函数来识别。
#include<unistd.h> ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)
上述系统调用是从指定文件中读取数据，参数为文件描述符 fd、已分配内存的适当缓冲区（静态或动态）以及缓冲区的大小。
文件描述符id用于标识各个文件，在调用open()或pipe()系统调用后返回。在读取文件之前需要打开该文件。在调用 pipeline() 系统调用时它会自动打开。
如果成功，此调用将返回读取的字节数（如果遇到文件末尾，则返回零）；如果失败，则返回 -1。返回字节可以小于请求的字节数，以防万一没有数据可用或文件被关闭。发生故障时会设置适当的错误号。
要了解失败的原因，请使用 errno 变量或 perror() 函数进行检查。
#include<unistd.h> ssize_t write(int fd, void *buf, size_t count)
上述系统调用是使用文件描述符 fd、已分配内存（静态或动态）的适当缓冲区以及缓冲区大小的参数写入指定文件。
文件描述符id用于标识各个文件，在调用open()或pipe()系统调用后返回。
在写入文件之前需要先打开该文件。在调用 pipeline() 系统调用时它会自动打开。
如果成功，此调用将返回写入的字节数（如果没有写入任何内容，则返回零）；如果失败，则返回 -1。发生故障时会设置适当的错误号。
要了解失败的原因，请使用 errno 变量或 perror() 函数进行检查。
示例程序
以下是一些示例程序。
示例程序 1 - 使用管道写入和读取两条消息的程序。
算法
步骤 1 - 创建管道。
步骤 2 - 向管道发送消息。
步骤 3 - 从管道检索消息并将其写入标准输出。
步骤 4 - 向管道发送另一条消息。
步骤 5 - 从管道检索消息并将其写入标准输出。
注意- 也可以在发送所有消息后检索消息。
源代码：simplepipe.c
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main() {
int pipefds[2];
int returnstatus;
char writemessages[2][20]={"Hi", "Hello"};
char readmessage[20];
returnstatus = pipe(pipefds);
if (returnstatus == -1) {
printf("Unable to create pipe\n");
return 1;
}
printf("Writing to pipe - Message 1 is %s\n", writemessages[0]);
write(pipefds[1], writemessages[0], sizeof(writemessages[0]));
read(pipefds[0], readmessage, sizeof(readmessage));
printf("Reading from pipe – Message 1 is %s\n", readmessage);
printf("Writing to pipe - Message 2 is %s\n", writemessages[0]);
write(pipefds[1], writemessages[1], sizeof(writemessages[0]));
read(pipefds[0], readmessage, sizeof(readmessage));
printf("Reading from pipe – Message 2 is %s\n", readmessage);
return 0;
}
注意- 理想情况下，需要检查每个系统调用的返回状态。为了简化流程，不会对所有调用进行检查。
执行步骤
汇编
gcc -o simplepipe simplepipe.c
执行/输出
Writing to pipe - Message 1 is Hi Reading from pipe – Message 1 is Hi Writing to pipe - Message 2 is Hi Reading from pipe – Message 2 is Hell
示例程序 2 - 使用父进程和子进程通过管道写入和读取两条消息的程序。
算法
步骤 1 - 创建管道。
步骤 2 - 创建一个子进程。
步骤 3 - 父进程写入管道。
步骤 4 - 子进程从管道检索消息并将其写入标准输出。
步骤 5 - 再次重复步骤 3 和步骤 4。
源代码：pipewithprocesses.c
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main() {
int pipefds[2];
int returnstatus;
int pid;
char writemessages[2][20]={"Hi", "Hello"};
char readmessage[20];
returnstatus = pipe(pipefds);
if (returnstatus == -1) {
printf("Unable to create pipe\n");
return 1;
}
pid = fork();
// Child process
if (pid == 0) {
read(pipefds[0], readmessage, sizeof(readmessage));
printf("Child Process - Reading from pipe – Message 1 is %s\n", readmessage);
read(pipefds[0], readmessage, sizeof(readmessage));
printf("Child Process - Reading from pipe – Message 2 is %s\n", readmessage);
} else { //Parent process
printf("Parent Process - Writing to pipe - Message 1 is %s\n", writemessages[0]);
write(pipefds[1], writemessages[0], sizeof(writemessages[0]));
printf("Parent Process - Writing to pipe - Message 2 is %s\n", writemessages[1]);
write(pipefds[1], writemessages[1], sizeof(writemessages[1]));
}
return 0;
}
执行步骤
汇编
gcc pipewithprocesses.c –o pipewithprocesses
执行
Parent Process - Writing to pipe - Message 1 is Hi Parent Process - Writing to pipe - Message 2 is Hello Child Process - Reading from pipe – Message 1 is Hi Child Process - Reading from pipe – Message 2 is Hello
使用管道的双向通信
管道通信仅被视为单向通信，即父进程写入且子进程读取，反之亦然，但不能同时执行两者。但是，如果父级和子级都需要同时从管道中写入和读取怎么办，解决方案是使用管道进行双向通信。建立双向通信需要两个管道。
以下是实现双向通信的步骤 -
步骤 1 - 创建两个管道。第一个是供父级写入和子级读取，例如 pipeline1。第二个是让孩子写，父母读，比如pipe2。
步骤 2 - 创建一个子进程。
步骤 3 - 关闭不需要的端点，因为每次通信只需要一端。
步骤 4 - 关闭父进程中不需要的末端，读取管道 1 的末端并写入管道 2 的末端。
步骤 5 - 关闭子进程中不需要的末端，写入管道 1 的末端并读取管道 2 的末端。
步骤 6 - 根据需要执行通信。
示例程序
示例程序 1 - 使用管道实现双向通信。
算法
步骤 1 - 创建 pipeline1 供父进程写入和子进程读取。
步骤 2 - 创建 pipeline2 供子进程写入和父进程读取。
步骤 3 - 从父端和子端关闭管道不需要的末端。
步骤 4 - 父进程写入消息，子进程读取并显示在屏幕上。
步骤 5 - 子进程写入消息，父进程读取并显示在屏幕上。
源代码：twowayspipe.c
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main() {
int pipefds1[2], pipefds2[2];
int returnstatus1, returnstatus2;
int pid;
char pipe1writemessage[20] = "Hi";
char pipe2writemessage[20] = "Hello";
char readmessage[20];
returnstatus1 = pipe(pipefds1);
if (returnstatus1 == -1) {
printf("Unable to create pipe 1 \n");
return 1;
}
returnstatus2 = pipe(pipefds2);
if (returnstatus2 == -1) {
printf("Unable to create pipe 2 \n");
return 1;
}
pid = fork();
if (pid != 0) // Parent process {
close(pipefds1[0]); // Close the unwanted pipe1 read side
close(pipefds2[1]); // Close the unwanted pipe2 write side
printf("In Parent: Writing to pipe 1 – Message is %s\n", pipe1writemessage);
write(pipefds1[1], pipe1writemessage, sizeof(pipe1writemessage));
read(pipefds2[0], readmessage, sizeof(readmessage));
printf("In Parent: Reading from pipe 2 – Message is %s\n", readmessage);
} else { //child process
close(pipefds1[1]); // Close the unwanted pipe1 write side
close(pipefds2[0]); // Close the unwanted pipe2 read side
read(pipefds1[0], readmessage, sizeof(readmessage));
printf("In Child: Reading from pipe 1 – Message is %s\n", readmessage);
printf("In Child: Writing to pipe 2 – Message is %s\n", pipe2writemessage);
write(pipefds2[1], pipe2writemessage, sizeof(pipe2writemessage));
}
return 0;
}
执行步骤
汇编
gcc twowayspipe.c –o twowayspipe
执行
In Parent: Writing to pipe 1 – Message is Hi In Child: Reading from pipe 1 – Message is Hi In Child: Writing to pipe 2 – Message is Hello In Parent: Reading from pipe 2 – Message is Hello