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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