Linux進程通信 | 管道與FIFO

来源:https://www.cnblogs.com/Wayne123/archive/2023/03/15/17218327.html
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Linux進程間通信通常使用的方式有很多種,其中比較常用的包括管道(pipe)和 FIFO(命名管道)。本文將介紹這兩種通信方式的基本概念,並用C語言編寫示例代碼,來說明如何在兩個進程之間使用這些IPC機制進行通信。 管道(pipe) 管道是一種半雙工的通信方式,用於父進程和子進程之間的通信。在 L ...


Linux進程間通信通常使用的方式有很多種,其中比較常用的包括管道(pipe)和 FIFO(命名管道)。本文將介紹這兩種通信方式的基本概念,並用C語言編寫示例代碼,來說明如何在兩個進程之間使用這些IPC機制進行通信。

管道(pipe)

管道是一種半雙工的通信方式,用於父進程和子進程之間的通信。在 Linux 中,管道是一種特殊的文件,有兩個端點,一個讀端和一個寫端。管道的基本操作包括創建管道、關閉文件描述符、讀取數據和寫入數據等。

創建管道

在 Linux 中,我們可以使用 pipe() 系統調用來創建管道。pipe() 函數的原型如下:

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

其中,pipefd 是一個數組,用於存儲管道的讀端和寫端的文件描述符。pipe() 函數成功時返回 0,失敗時返回 -1。

下麵是一個創建管道的示例代碼:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    int pipefd[2];
    
    // 創建管道
    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    printf("讀端文件描述符:%d\n", pipefd[0]);
    printf("寫端文件描述符:%d\n", pipefd[1]);
    
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

  • 編譯並運行,列印如下
讀端文件描述符:3
寫端文件描述符:4

管道的讀寫

在使用管道進行通信時,父進程和子進程可以通過管道進行數據的讀取和寫入。在 C 語言中,我們可以使用 read()函數和 write() 函數來讀取和寫入數據。read() 函數用於從管道中讀取數據,write() 函數用於向管道中寫入數據,使用 close() 函數關閉文件描述符。在管道的使用中,我們應該在不需要的時候關閉管道的讀端和寫端,以避免資源浪費。

這三個函數的原型分別如下:

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
int close(int fd);

下麵是一個父進程向子進程寫入數據並讀取返回結果的示例代碼:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>

#define BUF_SIZE 1024

int main()
{
    int pipefd[2];
    pid_t pid;
    char buf[BUF_SIZE];
    int status;
    
    // 創建管道
    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 創建子進程
    pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    if (pid == 0) { // 子進程        
        // 從管道中讀取數據
        if (read(pipefd[0], buf, BUF_SIZE) == -1) {
            perror("read");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        
        printf("子進程收到消息:%s\n", buf);
        
        // 發送消息給父進程
        const char* message = "Hello, parent!";
        if (write(pipefd[1], message, strlen(message) + 1) == -1) {
            perror("write");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        close(pipefd[1]); // 關閉寫端
        exit(EXIT_SUCCESS);
    } else { // 父進程 
        // 發送消息給子進程
        const char* message = "Hello, child!";
        if (write(pipefd[1], message, strlen(message) + 1) == -1) {
            perror("write");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        
        // 等待子進程退出
        wait(&status);
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("子進程退出,返回值:%d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
        
        // 從管道中讀取數據
        if (read(pipefd[0], buf, BUF_SIZE) == -1) {
            perror("read");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        printf("父進程收到消息:%s\n", buf);
        close(pipefd[0]); // 關閉讀端
        
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
}

在這個示例代碼中,父進程先向子進程發送一條消息,子進程收到消息後向父進程發送一條消息,並退出。父進程在等待子進程退出後再從管道中讀取子進程發送的消息。

  • 編譯並運行,列印如下
子進程收到消息:Hello, child!
子進程退出,返回值:0
父進程收到消息:Hello, parent!

FIFO(命名管道)

FIFO(命名管道)是一種文件系統對象,與管道類似,也可以用於進程間通信。FIFO 是一種特殊類型的文件,它可以在文件系統中被創建,並且進程可以通過文件描述符來讀取和寫入數據。

與管道不同的是,FIFO 可以被多個進程打開,並且可以在文件系統中以路徑的形式存在,因此不像管道那樣只能在具有親緣關係的進程之間使用。任何進程只要有相應的許可權就可以打開 FIFO 併進行通信。

FIFO 的創建和使用

FIFO 的創建和使用也比較簡單。首先需要使用 mkfifo() 函數創建 FIFO 文件,其原型如下

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

其中,pathname 是 FIFO 文件的路徑名,mode 是文件的許可權。

創建 FIFO 文件後,就可以像使用普通文件一樣打開它,並使用 read() 和 write() 函數進行數據的讀寫。

下麵是一個使用 FIFO 進行進程間通信的示例代碼:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#define FIFO_PATH "/tmp/myfifo"
#define BUF_SIZE 1024

int main()
{
    int fd;
    char buf[BUF_SIZE];
    
    // 創建 FIFO 文件
    if (mkfifo(FIFO_PATH, 0666) == -1) {
        perror("mkfifo");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 打開 FIFO 文件
    fd = open(FIFO_PATH, O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 向 FIFO 中寫入數據
    const char* message = "Hello, world!";
    if (write(fd, message, strlen(message) + 1) == -1) {
        perror("write");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 從 FIFO 中讀取數據
    if (read(fd, buf, BUF_SIZE) == -1) {
        perror("read");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    printf("收到消息:%s\n", buf);
    
    // 關閉文件描述符並刪除 FIFO 文件
    close(fd);
    if (unlink(FIFO_PATH) == -1) {
        perror("unlink");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

在這個示例代碼中,程式先創建了一個 FIFO 文件 /tmp/myfifo,然後打開該文件並向其中寫入一條消息。接下來從 FIFO 文件中讀取數據,並將其列印出來。最後關閉文件描述符並刪除 FIFO 文件。

  • 編譯並運行,列印如下
收到消息:Hello, world!

小結

Linux 中管道和 FIFO 是進程間通信的重要方式。管道只能用於親緣關係的進程間通信,而 FIFO 可以被多個進程打開,不受進程之間關係的限制。無論是管道還是 FIFO,它們的使用方式都與普通文件類似,需要使用文件描述符和 read()、write() 函數來進行數據的讀寫。

在使用管道和 FIFO 進行進程間通信時,需要註意以下幾點:

  1. 管道和 FIFO 只能用於同一主機上的進程間通信,不能用於跨主機通信。
  2. 管道和 FIFO 的讀寫操作是阻塞的,這意味著當一個進程嘗試從一個空管道或 FIFO 中讀取數據時,它會被阻塞,直到有數據可用為止。同樣,當一個進程嘗試將數據寫入一個滿的管道或 FIFO 時,它也會被阻塞,直到有空閑空間為止。
  3. 在使用管道和 FIFO 進行進程間通信時,需要註意文件描述符的關閉順序。
  4. 管道和 FIFO 只能傳輸位元組流,不能傳輸其他類型的數據,如結構體或指針。
  5. 如果使用管道或 FIFO 進行進程間通信時,數據量較大,需要進行分段傳輸,否則可能會導致阻塞或緩衝區溢出等問題。
  6. 管道和 FIFO 都是單向的,如果需要雙向通信,則需要建立兩個管道或 FIFO。

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