管道技術是Linux的一種基本的進程間通信技術。在本文中,我們將為讀者介紹管道技術的模型,匿名管道和命名管道技術的定義和區別,以及這兩種管道的創建方法。同時,闡述如何在應用程序和命令行中通過管道進行通信的詳細方法。
一、管道技術模型
管道技術是Linux操作系統中歷來已久的一種進程間通信機制。所有的管道技術,無論是半雙工的匿名管道,還是命名管道,它們都是利用FIFO排隊模型來指揮進程間的通信。對於管道,我們可以形象地把它們當作是連接兩個實體的一個單向連接器。例如,請看下面的命令:
該命令首先創建兩個進程,一個對應於ls –1,另一個對應於wc –l。然後,把第一個進程的標准輸出設為第二個進程的標准輸入(如圖1所示)。它的作用是計算當前目錄下的文件數量。
圖1:管道示意圖
如上圖所示,前面的例子實際上就是在兩個命令之間建立了一根管道(有時我們也將之稱為命令的流水線操作)。第一個命令ls執行後產生的輸出作為了第二個命 令wc的輸入。這是一個半雙工通信,因為通信是單向的。兩個命令之間的連接的具體工作,是由內核來完成的。下面我們將會看到,除了命令之外,應用程序也可 以使用管道進行連接。
二、信號和消息的區別
我們知道,進程間的信號通信機制在傳遞信息時是以信號為載體的,但管道通信機制的信息載體是消息。那麼信號和消息之間的區別在哪裡呢?
首先,在數據內容方面,信號只是一些預定義的代碼,用於表示系統發生的某一狀況;消息則為一組連續語句或符號,不過量也不會太大。在作用方面,信號擔任進程間少量信息的傳送,一般為內核程序用來通知用戶進程一些異常情況的發生;消息則用於進程間交換彼此的數據。
在 發送時機方面,信號可以在任何時候發送;信息則不可以在任何時刻發送。在發送者方面,信號不能確定發送者是誰;信息則知道發送者是誰。在發送對象方面,信 號是發給某個進程;消息則是發給消息隊列。在處理方式上,信號可以不予理會;消息則是必須處理的。在數據傳輸效率方面,信號不適合進大量的信息傳輸,因為 它的效率不高;消息雖然不適合大量的數據傳送,但它的效率比信號強,因此適於中等數量的數據傳送。
三、管道和命名管道的區別
我們知道,命名管道和管道都可以在進程間傳送消息,但它們也是有區別的。
管道技術只能用於連接具有共同祖先的進程,例如父子進程間的通信,它無法實現不同用戶的進程間的信息共享。再者,管道不能常設,當訪問管道的進程終止時,管道也就撤銷。這些限制給它的使用帶來不少限制,但是命名管道卻克服了這些限制。
命名管道也稱為FIFO,是一種永久性的機構。FIFO文件也具有文件名、文件長度、訪問許可權等屬性,它也能像其它Linux文件那樣被打開、關閉和刪除,所以任何進程都能找到它。換句話說,即使是不同祖先的進程,也可以利用命名管道進行通信。
如果想要全雙工通信,那最好使用Sockets API。下面我們分別介紹這兩種管道,然後詳細說明用來進行管道編程的編程接口和系統級命令。
四、管道編程技術
在程序中利用管道進行通信時,根據通信主體大體可以分為兩種情況:一種是具有共同祖先的進程間的通信,比較簡單;另一種是任意進程間通信,相對較為復雜。下面我們先從較為簡單的進程內通信開始介紹。
1. 具有共同祖先的進程間通信管道編程
為了了解管道編程技術,我們先舉一個例子。在這個例中,我們將在進程中新建一個管道,然後向它寫入一個消息,管道讀取消息後將其發出。代碼如下所示:
示例代碼1:管道程序示例
11: const char *string=...{A sample message.}; 12: int ret, myPipe[2]; 13: char buffer[MAX_LINE+1]; 14: 15: /**//* 建立管道 */ 16: ret = pipe( myPipe ); 17: 18: if (ret == 0) ...{ 19: 20: /**//* 將
上面的示例代碼中,我們利用pipe調用新建了一個管道,參見第16行代碼。 我們還建立了一個由兩個元素組成的數組,用來描述我們的管道。我們的管道被定義為兩個單獨的文件描述符,一個用來輸入,一個用來輸出。我們能從管道的一端 輸入,然後從另一端讀出。如果調用成功,pipe函數返回值為0。返回後,數組myPipe中存放的是兩個新的文件描述符,其中元素myPipe[1]包 含的文件描述符用於管道的輸入,元素myPipe[0] 包含的文件描述符用於管道的輸出。
在第21行代碼,我們利用write函數把消息寫入管道。站在應用程序的角度,它是在向stdout輸出。現在,該管道存有我們的消息,我們可以利用第 24行的read函數來讀它。對於應用程序來說,我們是利用stdin描述符從管道讀取消息的。read函數把從管道讀取的數據存放到buffer變量 中。然後在buffer變量的末尾添加一個NULL,這樣就能利用printf函數正確的輸出它了。在本例中的管道可以利用下圖解釋:
圖2:示例代碼1中半雙工管道的示意圖 這個例子中,通信是在具有共同祖先的進程間發生的,即父進程和子進程通信。這樣做局限性太大,但我們只是用它
圖2:示例代碼1中半雙工管道的示意圖
這個例子中,通信是在具有共同祖先的進程間發生的,即父進程和子進程通信。這樣做局限性太大,但我們只是用它來給讀者一個感性的認識。接下來,我們將介紹更為高級的進程間的管道通信。
2.進程間通信管道編程
在利用管道技術進行編程時,處理要用到上面介紹的pipe函數外,還用到另外三個函數,如下所示。
pipe函數:該函數用於創建一個新的匿名管道。
dup函數:該函數用於拷貝文件描述符。
mkfifo函數:該函數用於創建一個命名管道(fifo)。
當然,在管道通信過程中還用到其它函數,到時我們會加以介紹。需要注意的是,說到底,管道無非就是一對文件描述符,因此任何能夠操作文件操作符的函數都可以使用管道。這包括但不限於這些函數:select、read、write、 fcntl、freopen,等等。
2.1函數pipe
函數pipe用來建立一個新的管道,該管道用兩個文件描述符進行描述。函數pipe的原型如下所示:
當調用成功時,函數pipe返回值為0,否則返回值為-1。成功返回時,數組fds被填入兩個有效的文件描述符。數組的第一個元素中的文件描述符供應用程序讀取之用,數組的第二個元素中的文件描述符可以用來供應用程序寫入。
下 面我們考察在一個包含多個進程的應用程序中的管道示例。在該程序中(見示例代碼2),第14行用於創建一個管道,然後進程在第16行分叉,變成一個父進程 和一個子進程。在子進程中,我們嘗試從(在第18行建立的)管道的輸入描述符讀取,這時該進程將被掛起,直到管道中有可以讀取的內容為止。
讀完後,我們用NULL作為讀取的內容的結束符,這樣的話,讀的這些內容就能使用printf函數正確打印輸出了。父進程先是利用存放在thePipe[1]中的“寫文件標識符”向管道寫入測試字符串,然後就使用wait函數來等待子進程退出。
在 我們的這個程序中需要加以注意的是,我們的子進程是如何繼承父進程利用pipe函數建立的文件描述符的,以及如何利用該文件描述符進行通信的。函數 fork一旦執行,子進程會繼承父進程的功能和管道的文件描述符,但對於內核來說,父進程和子進程是平等的,它們是獨立運行的。也就是說,兩個進程分別具 有單獨的內存空間,它們正是通過pipe函數來互通有無的。
14: if ( pipe( thePipe ) == 0 ) ...{ 15: 16: if (fork() == 0) ...{ 17: 18: ret = read( thePipe[0], buf, MAX_LINE ); 19: buf[ret] = 0; 20: printf( Child read %s\n, buf ); 21: 22: } else ...{ 23: 24: re
需要注意的是,在這個示例程序中我們沒有說明如何關閉管道,因為一旦進程結束,與管道有關的資源將被自動釋放。盡管如此,為了養成一種良好的編程習慣,最好利用close調用來關閉管道的描述符,如下所示:
如果管道的寫入端關閉,但是還有進程嘗試從管道讀取的話,將被返回0,用來指出管道已不可用,並且應當關閉它。如果管道的讀出端關閉,但是還有進程嘗試向管道寫入的話,試圖寫入的進程將收到一個SIGPIPE信號,至於信號的具體處理則要視其信號處理程序而定了。
2.2 dup函數和dup2函數
dup和dup2也是兩個非常有用的調用,它們的作用都是用來復制一個文件的描述符。它們經常用來重定向進程的stdin、stdout和stderr。這兩個函數的原型如下所示:
int dup2( int oldfd, int targetfd ) 利用函數dup,我們可以復制一個描述符。傳給該函數一個既有的描述符,它就會返回一個新的描述符,這個新的描述符是傳給它
利用函數dup,我們可以復制一個描述符。傳給該函數一個既有的描述符,它就會返回一個新的描述符,這個新的描述符是傳給它的描述符的拷貝。這意味著,這 兩個描述符共享同一個數據結構。例如,如果我們對一個文件描述符執行lseek操作,得到的第一個文件的位置和第二個是一樣的。下面是用來說明dup函數 使用方法的代碼片段:
需要注意的是,我們可以在調用fork之前建立一個描述符,這與調用dup建立描述符的效果是一樣的,子進程也同樣會收到一個復制出來的描述符。
dup2函數跟dup函數相似,但dup2函數允許調用者規定一個有效描述符和目標描述符的id。dup2函數成功返回時,目標描述符(dup2函數的第 二個參數)將變成源描述符(dup2函數的第一個參數)的復制品,換句話說,兩個文件描述符現在都指向同一個文件,並且是函數第一個參數指向的文件。下面 我們用一段代碼加以說明:
本例中,我們打開了一個新文件,稱為“app_log”,並收到一個文件描述符,該描述符叫做fd1。我們調用dup2函數,參數為oldfd和1,這會 導致用我們新打開的文件描述符替換掉由1代表的文件描述符(即stdout,因為標准輸出文件的id為1)。任何寫到stdout的東西,現在都將改為寫 入名為“app_log”的文件中。需要注意的是,dup2函數在復制了oldfd之後,會立即將其關閉,但不會關掉新近打開的文件描述符,因為文件描述 符1現在也指向它。
下面我們介紹一個更加深入的示例代碼。回憶一下本文前面講的命令行管道,在那裡,我們將ls –1命令的標准輸出作為標准輸入連接到wc –l命令。接下來,我們就用一個C程序來加以說明這個過程的實現。代碼如下面的示例代碼3所示。
在示例代碼3中,首先在第9行代碼中建立一個管道,然後將應用程序分成兩個進程:一個子進程(第13–16行)和一個父進程(第20–23行)。接下來, 在子進程中首先關閉stdout描述符(第13行),然後提供了ls –1命令功能,不過它不是寫到stdout(第13行),而是寫到我們建立的管道的輸入端,這是通過dup函數來完成重定向的。在第14行,使用dup2 函數把stdout重定向到管道(pfds[1])。之後,馬上關掉管道的輸入端。然後,使用execlp函數把子進程的映像替換為命令ls –1的進程映像,一旦該命令執行,它的任何輸出都將發給管道的輸入端。
現在來研究一下管道的接收端。從代碼中可以看出,管道的接收端是由父進程來擔當的。首先關閉stdin描述符(第20行),因為我們不會從機器的鍵盤等 標准設備文件來接收數據的輸入,而是從其它程序的輸出中接收數據。然後,再一次用到dup2函數(第21行),讓stdin變成管道的輸出端,這是通過讓 文件描述符0(即常規的stdin)等於pfds[0]來實現的。關閉管道的stdout端(pfds[1]),因為在這裡用不到它。最後,使用 execlp函數把父進程的映像替換為命令wc -1的進程映像,命令wc -1把管道的內容作為它的輸入(第23行)。
6: ...{ 7: int pfds[2]; 8: 9: if ( pipe(pfds) == 0 ) ...{ 10: 11: if ( fork() == 0 ) ...{ 12: 13: close(1); 14: dup2( pfds[1], 1 ); 15: close( pfds[0] ); 16: execlp( ls, ls, -1, NULL ); 17: 18: } else
在該程序中,需要格外關注的是,我們的子進程把它的輸出重定向的管道的輸入,然後,父進程將它的輸入重定向到管道的輸出。這在實際的應用程序開發中是非常有用的一種技術。
2.3 mkfifo函數
mkfifo函數的作用是在文件系統中創建一個文件,該文件用於提供FIFO功能,即命名管道。前邊講的那些管道都沒有名字,因此它們被稱為匿名管道,或簡稱管道。對文件系統來說,匿名管道是不可見的,它的作用僅限於在父進程和子進程兩個進程間進行通信。而命名管道是一個可見的文件,因此,它可以用於任何兩個進程之間的通信,不管這兩個進程是不是父子進程,也不管這兩個進程之間有沒有關系。Mkfifo函數的原型如下所示:
#include #include int mkfifo( const char *pathname, mode_t mode ); mkfifo函數需要兩個參數,第一個參數(pathname)是將要在文件系統中創建的一個專用文件。第二個參數(mo
mkfifo函數需要兩個參數,第一個參數(pathname)是將要在文件系統中創建的一個專用文件。第二個參數(mode)用來規定FIFO的讀寫 權限。Mkfifo函數如果調用成功的話,返回值為0;如果調用失敗返回值為-1。下面我們以一個實例來說明如何使用mkfifo函數建一個fifo,具 體代碼如下所示:
在這個例子中,利用/tmp目錄中的cmd_pipe文件建立了一個命名管道(即fifo)。之後,就可以打開這個文件進行讀寫操作,並以此進行通信了。 命名管道一旦打開,就可以利用典型的輸入輸出函數從中讀取內容。舉例來說,下面的代碼段向我們展示了如何通過fgets函數來從管道中讀取內容:
我們還能向管道中寫入內容,下面的代碼段向我們展示了利用fprintf函數向管道寫入的具體方法:
對命名管道來說,除非寫入方主動打開管道的讀取端,否則讀取方是無法打開命名管道的。Open調用執行後,讀取方將被鎖住,直到寫入方出現為止。盡管命名管道有這樣的局限性,但它仍不失為一種有效的進程間通信工具。
上面介紹的是與管道有關的一些系統調用,下面介紹管道命令相關的系統命令。
五、與管道相關的系統命令
現在開始,我們來研究與進程間通信密切相關的一些系統命令。首先介紹的是mkfifo命令,它的功能與mkfifo系統調用相似,只不過它是用來在命令行中建立一個命名管道。
在命令行下建立fifo的專用文件,即命名管道的常用方法有兩個,mkfifo命令便是其中之一。mkfifo命令的一般用法如下所示:
這裡的options一般為-m,即模式,用以指出讀寫權限;name是要創建的管道的名稱,必要時可以加上路徑。如果我們沒有規定權限,該命令會采取默認值0644。這裡以一個具體實例來說明如何在/tmp目錄下面建立一個稱為cmd_pipe的命名管道:
$ mkfifo /tmp/cmd_pipe 下面 用例 子說明如何給命名管道指定讀寫權限。這裡我們先將前面建立的管道刪掉,然後重新建立管道,並指定管道的權限為0644,當然
下面用例子說明如何給命名管道指定讀寫權限。這裡我們先將前面建立的管道刪掉,然後重新建立管道,並指定管道的權限為0644,當然您也可以指定其他權限:
上面的權限一經建立,就能夠在命令行行下通過此管道進行通信了。比如,可以在一個終端上,利用cat命令來讀取管道:
當輸入該命令後,我們的進程就會被掛起,等待寫入程序打開此管道。現在,在另一個終端上利用echo命令向這個命名管道寫入:
這個命令結束後,要讀取該管道的程序(即cat)將被喚醒,然後結束。為醒目起見,這裡列出完整的讀取方(也就是讀取管道的程序)輸入的命令和得到的結果:
由此看來,命名管道不僅在C程序中非常有用,而且在腳本中作用也很大。當然,如果組合使用,效果也是很好的。
除了mkfifo命令外,mknod命令也可以用來創建命名管道,其用法如下所示:
該命令執行後,將在當前目錄下創建一個命名管道cmd_pipe,p用於指出建立的是命名管道。
六、小結
在這篇文章中,我們介紹了管道和命名管道的概念,詳細的說明了應用程序和命令行創建管道的方法,以及通過它們進行通信的I/O機制。然後,討論了如何利用dup和 dup2命令來進行輸入輸出重定向。我們希望本文能夠幫您更好的了解Linux下的管道技術。