管道通信

进程间通信

多进程编程，如果进程之间需要进行各种消息传递(message passing)，那么必然要通信，我们称之为IPC(Inter-process communication)。

在Unix系统中，消息传递经历了如下几个发展阶段：

• 管道(pipe) 是第一个广泛使用的IPC形式，既可在程序中使用，也可以从shell中使用。管道的问题在于它们只能在具有共同祖先(指父子进程关系)的进程间使用，不过该问题已随 有名管道(named pipe) 即FIFO的引入而解决了。
• System V 消息队列(System V message queue) 是在20世纪80年代早期加到System V内核中的。它们可用在同一主机上有亲缘关系或无亲缘关系的进程之间。
• Posix 消息队列 是由Posix实时标准加入的。它们可用在同一主机上有亲缘关系或无亲缘关系的进程之间。
• 远程过程调用(Remote Procedure Call，简称RPC) 出现在20世纪80年代中期，它是从一个系统(客户主机)上某个程序调用另一个系统(服务器主机)上某个函数的一种方法，是作为显式网络编程的一种替换方法开发。也算是另一种形式的消息传递。

本文主要介绍第一种方式——管道。

架构

父进程
  |
  | ---- 子进程

在父进程中创建一个子进程，子进程从26个英文字母中随机产生一个，并返回给父进程。

子进程中要执行的程序

random_letter.c

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

int main(void)
{
    int a;
    const char * a_to_z = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
    srand((unsigned)time(NULL));
    a = rand() % 26;
    printf("%c\n",a_to_z[a]);
}

使用rand()%26产生一个从0-25的随机数，然后通过这个随机数在a_to_z字符串指针只获取当前位置的字符来达到随机字母的效果。

fork()

在Unix中，使用fork()来克隆进程，fork()被调用一次会返回两次，在子进程中会返回0，在父进程中返回子进程的进程标识符，可以根据这个特性来区分现在在哪个进程中。

pid_t pid = fork(); // 调用fork()克隆进程
if(pid == -1){    // 如果fork()返回-1，就说明在克隆进程时出了问题
    fprintf(stderr, "Can't fork process: %s\n", strerror(errno));
    return 1;
}
if(!pid){    // 相当于if(pid == 0)，如果fork()返回0，说明代码运行在子进程中
    // code 子进程中的代码
}
// code 父进程中的代码

输入输出重定向

在介绍管道之前需要先讲下数据流，顾名思义，数据流就是流动的数据，数据从一个进程流出，然后流入另一个进程。

操作系统中有三大默认数据流：

• 标准输入 stdin 默认是键盘输入
• 标准输出 stdout 默认是屏幕输出
• 标准错误 stderr 默认是屏幕输出

还有其他形式的数据流，例如文件连接和网络连接也属于数据流。

重定向进程的输出，相当于改变进程发送数据的方向。原本标准输出会把数据发送到屏幕，现在可以让它把数据发送到文件。

进程含有它正在运行的程序，还有栈和堆数据空间。除此之外，进程还需要记录数据流的连向，比如标准输出连到了哪里。进程用文件描述符表示数据流，所谓的描述符其实就是一个数字。进程会把文件描述符和对应的数据流保存在描述符表中。

#	数据流
0	键盘	标准输入
1	屏幕	标准输出
2	屏幕	标准错误
3	其他数据流形式

描述符表前三项万年不变：0号标准输入，1号标准输出，2号标准错误。

标准输入/输出/错误在描述表中的位置是固定的，但是它们指向的数据流可以改变。也就是说，如果想重定向标准输出，只需要修改表中1号描述符对应的数据流就行了。所有向标准输出发送数据的函数会先查看描述符表，看1号描述符指向哪条数据流，然后再把数据写到这条数据流中，printf()便是如此。

命令行中的数据流重定向

在命令行中用>和<运算符重定向数据流

./myprog > output.txt 2> errors.log

上面的命令表示，标准输出到output.txt文件，标准错误到errors.log文件。2>中的2就是标准错误在描述符表中的编号。在类Unix系统中，还可以把标准错误和标准输出到同一个地方：

./myprog 2>&1

fileno()返回描述符号

每打开一个文件，操作系统都会在描述符表中新注册一项。假设你打开了某个文件：

FILE *my_file = fopen("guitar.mp3", "r");

操作系统会打开guitar.mp3文件，然后返回一个指向它的指针，操作系统还会历遍描述符表寻找空项，把新文件注册在其中。

使用fileno()函数来查询文件指针它的描述符：

int descriptor = fileno(my_file);

dup2()复制数据流

每次打开文件都会使用描述符表中新的一项。如果想修改某个已经注册过的数据流，比如想让3号描述符重新指向其他数据流，可以用dup2()函数，dup2可以复制数据流。假设你在4号描述符中注册了guitar.mp3文件指针，下面这行代码能同时把它连接到3号描述符：

dup2(4,3);

管道pipe

如果创建管道？

因为子进程需要把数据发送到父进程，所以要用管道连接子进程的标准输出和父进程的标准输入。

pipe()函数会创建两条相连的数据流，并把它们加入到描述符表中，然后只要你往其中一条数据流中写数据，就可以从另一条数据流中读取。

#include <unistd.h>
int fd[2];  // 描述符将保存在这个数组中
if(pipe(fd) == -1){
    error("Can't creat the pipe");
}

#	数据流
0	标准输入
1	标准输出
2	标准错误
3	fd[0] 管道读取端
4	fd[1] 管道写入端

pipe()函数创建了管道，并返回了两个描述符：fd[1]用来向管道写数据，fd[0]用来向管道读数据，将会在父进程和子进程中使用它们。

最终程序

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>  // 提供 fork()，pipe() 函数
#include <errno.h>   // 提供 error()函数
#include <sys/types.h>  // 提供 pid_t

void error(char *msg)
{
    fprintf(stderr,"%s: %s\n", msg, strerror(errno));
    exit(1);
}

int main(void){

    // 描述符将保存在这个数组中
    int fd[2];
    // pipe() 函数创建了管道，fd[1] 写管道，fd[0] 读管道
    if(pipe(fd) == -1){
        error("Can't create the pipe");
    }

    // 克隆进程
    pid_t pid = fork();
    if(pid == -1){
        error("Can't fork process");
    }

    // 进入子进程中
    if(!pid){
        dup2(fd[1], 1); // 将标准输出(描述符号是1)重定向到管道的写入端
        close(fd[0]);   // 因为子进程不需要从管道读取数据，所以关闭
        if(execl("/.../random_letter", "/.../random_letter", NULL) == -1){
            error("Can't run random_letter");
        }
    }

    // 在父进程中
    dup2(fd[0], 0); // 将标准输入(描述符号是0)重定向到管道的读取端
    close(fd[1]);   // 因为父进程不需要向管道写入数据，所以关闭

    char res[255];
    // 从标准输入中获取数据
    while (fgets(res, 255, stdin))
    {
        printf("%s\n", res);       
    }   

    return 0;
}

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参考资料：

《嗨翻C语言》