管道(pipe)允许两个进程进行通信,是早期 UNIX 系统最早使用的一种 IPC 机制。管道为进程之间的相互通信提供了一种较为简单的方法,尽管也有一定的局限性。
在实现管道时,应该考虑以下四个问题:
有两种常见类型的用于 UNIX 和 Windows 系统的管道:无名管道(普通管道)和有名管道,本节先讲解无名管道。
普通管道允许两个进程按标准的生产者-消费者方式进行通信:生产者向管道的一端(写入端)写,消费者从管道的另一端(读出端)读。
因此,普通管道是单向的,只允许单向通信。如果需要双向通信,那么就要采用两个管道,而每个管道向不同方向发送数据。
下面我们讨论在 UNIX 和 Windows 系统上创建普通管道。在这两个程序实例中,一个进程向管道中写入消息 Greetings,而另一个进程从管道中读取此消息。
在 UNIX 系统上,普通管道的创建采用函数
这个函数创建一个管道,以便通过文件描述符 int fd[] 来访问:fd[0] 为管道的读出端,而 fd[1] 为管道的写入端。UNIX 将管道作为一种特殊类型的文件。因此,访问管道可以采用普通的系统调用 read() 和 write()。
普通管道只能由创建进程所访问。通常情况下,父进程创建一个管道,并使用它来与其子进程进行通信(该子进程由 fork() 来创建)。正如《进程的创建》一节所讲的那样,子进程继承了父进程的打开文件。由于管道是一种特殊类型的文件,因此子进程也继承了父进程的管道。
图 1 说明了文件描述符 fd 与父子进程之间的关系。
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#define BUFFER_SIZE 25
#define READ_END 0
#define WRITE_END 1
int main(void)
{
char write_msg[BUFFER_SIZE] = "Greetings";
char read_msg[BUFFER_SIZE];
int fd[2];
pid_t pid;
/* create the pipe */
if (pipe(fd) == -1) {
fprintf(stderr,"Pipe failed");
return 1;
}
/* fork a child process */
pid = fork();
if (pid < 0) {
/* error occurred */
fprintf(stderr, "Fork Failed");
return 1;
}
if (pid > 0) {
/* parent process */
/* close tlie unused end of the pipe */
close (fd [READJEND]);
/* write to the pipe */
write (fd [WRITE_END],write_msg, strlen (write_msg)+1);
/* close the read end of the pipe */
close (fd[WRITE_END]);
}
else {
/* child process */
/* close the unused end of the pipe */
close(fd[WRITEJEND]);
/* read from the pipe */
read(fd[READ_END] , read_msg, BUFFER_SIZE);
printf ("read %s",read_msg);
/* close the write end of the pipe */
close (fd[READ_END]);
}
return 0;
}
上边的 UNIX 程序中,父进程创建了一个管道,然后调用 fork() 来创建子进程。调用 fork() 之后的行为取决于数据流如何流过管道。
对于这个实例,父进程向管道写,而子进程从管道读。重要的是要注意,父进程和子进程开始就关闭了管道的未使用端。有一个重要的步骤是确保当管道的写入者关闭了管道写入端时,从管道读取的进程能检测到 end-of-file(调用 read() 返回 0),不过上边所示的程序中没有这个操作。
对于 Windows 系统,普通管道被称为匿名管道(anonymous pipe),它们的行为类似于 UNIX 的管道:它们是单向的,通信进程之间具有父子关系。
另外,读取和写入管道可以采用普通函数 ReadFile() 和 WriteFile()。用于创建管道的 Windows API 是 CreatePipe() 函数,它有四个参数,包括:
下面的代码说明了一个父进程创建一个匿名管道,以便与子进程通信:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <windows.h>
#define BUFFER_SIZE 25
int main(VOID)
{
HANDLE ReadHandle, WriteHandle;
STARTUPINFO si;
PR0CESS_INF0RMATI0N pi;
char message [BUFFER_SIZE] = "Greetings";
DWORD written;
/* set up security attributes allowing pipes to be inherited */
SECURITY_ATTRIBUTES sa = {sizeof (SECURITY_ATTRIBUTES) ,NULL,TRUE};
/* allocate memory */
ZeroMemory(&pi,sizeof(pi));
/* create the pipe */
if (!CreatePipe(&ReadHandle, &WriteHandle, &sa, 0)) {
fprintf(stderr, "Create Pipe Failed");
return 1;
}
/* establish the STARTJNFO structure for the child process */
GetStartupInfo(&si);
si.hStdOutput = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);
/* redirect standard input to the read end of the pipe */
si.hStdlnput = ReadHandle;\
si.dwFlags = STARTF.USESTDHANDLES;
/* don5t allow the child to inherit the write end of pipe */
SetHandlelnformat ion (WriteHandle, HANDLEJFLAGJNHERIT, 0);
/* create the child process */
CreateProcess (NULL, "child.exe" , NULL, NULL,TRUE, /* inherit handles */
0,NULL, NULL, &si, &pi);
/* close the unused end of the pipe */
CloseHandle(ReadHandle);
/* the parent writes to the pipe */
if (! WriteFile (WriteHandle, message,BUFFER.SIZE,&written,NULL))
fprintf(stderr, "Error writing to pipe.");
/* close the write end of the pipe */
CloseHandle(WriteHandle);
/* wait for the child to exit */
WaitForSingleObject(pi.hProcess, INFINITE);
CloseHandle(pi.hProcess);
CloseHandle(pi.hThread);
return 0;
}
对于 UNIX 系统,子进程自动继承由父进程创建的管道;对于 Windows 系统,程序员需要指定子进程继承的属性。首先,初始化结构 SECURITY_ATTRIBUTES,以便允许句柄继承;然后,重定向子进程的句柄,以便标准输入或输出为管道的读出或写入。由于子进程从管道上读,父进程应将子进程的标准输入重定向为管道的读出句柄。另外,由于管道为半双工,需要禁止子进程继承管道的写入端。
创建子进程的程序中,第五个参数设置为 TRUE,表示子进程会从父进程那里继承指定的句柄。父进程向管道写入时,应先关闭未使用的管道读出端。从管道读的子进程如下所示:
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#define BUFFER_SIZE 25
int main (VOID)
{
HANDLE Readhandle;
CHAR buffer [BUFFER_SIZE];
DWORD read;
/* get the read handle of the pipe */
ReadHandle = GetStdHandle (STDJNPUTJHANDLE);
/* the child reads from the pipe */
if (ReadFile(ReadHandle, buffer, BUFFER_SIZE, &read, NULL))
printf ("child read %s",buffer);
else
fprintf(stderr, "Error reading from pipe");
return 0;
}
从管道读之前,这个程序应通过调用 GetStdHandle(),以得到管道的读句柄。
请注意,对于 UNIX 和 Windows 系统,采用普通管道的进程通信需要有父子关系。这 意味着,这些管道只可用于同一机器的进程间通信。