Framework—进程间通信(IPC) 系列之管道(pipe)

1.什么是管道 ？

所谓管道，是指用于连接一个读进程和一个写进程，以实现它们之间通信的共享文件，又称 pipe 文件。

向管道（共享文件）提供输入的发送进程（即写进程），以字符流形式将大量的数据送入管道；而接收管道输出的接收进程（即读进程），可从管道中接收数据。由于发送进程和接收进程是利用管道进行通信的，故又称管道通信。

为了协调双方的通信，管道通信机制必须提供以下3 方面的协调能力。

• 互斥。当一个进程正在对 pipe 进行读/写操作时，另一个进程必须等待。
• 同步。当写（输入）进程把一定数量（如4KB）数据写入 pipe 后，便去睡眠等待，直到读（输出）进程取走数据后，再把它唤醒。当读进程读到一空 pipe 时，也应睡眠等待，直至写进程将数据写入管道后，才将它唤醒。
• 对方是否存在。只有确定对方已存在时，才能进行通信。

2.pipe()函数创建管道

2.1 函数原型

包含头文件

#include <unistd.h>

• 函数原型

int pipe(int pipefd[2]);

#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>

int pipe2(int pipefd[2], int flags);

• 函数功能

pipe() creates a pipe, a unidirectional data channel that can be used for interprocess communication.

• 函数参数

pipefd[2]：读端和写端的文件描述符 函数返回值

On success, zero is returned.
On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

2.2 工作原理

一般来说，要在子进程创建之前使用pipe()来创建管道，这样子进程才能共享这两个文件描述符fd[1]和fd[2]。pipe()函数创建一个管道就相当于打开了一个伪文件（这个伪文件实际上是内核缓冲区，像管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区，因为这个缓冲区只能单向流通数据，所以形象的称为管道），所以调用成功会返回两个文件描述符给参数pipefd[2]，其中fd[0]代表读端，fd[1]代表写端，就像0代表标准输入1代表标准输出一样作为一种规定。并且这两个文件描述符在使用的时候不需要open()打开，但是需要我们手动的close()关闭。

管道创建成功后，父进程同时拥有读写两端，因为子进程是对父进程的复制，所以子进程也会拥有读写两端。下面通过图示来说明进程间是如何通过管道通信的。

① 父进程调用pipe()函数创建管道，并得到指向管道读端和写端的文件描述符fd[0]和fd[1]。创建出来的管道实际上是内核的一块缓冲区，我们可以像读写文件一样来操作这个缓冲区，所以也可以把他理解为一个伪文件。

② 父进程调用fork()创建子进程，子进程将共享这两个指向管道读写端的文件描述符。

③ 如果父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端，此时父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出，反之同理。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

2.3 通过实战分析管道的特性

示例1：父子进程读写管道

/************************************************************
  >File Name  : pipe_test.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月21日 星期六 17时53分56秒
  >************************************************************/
  >#include <stdio.h>
  >#include <stdlib.h>
  >#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int fd[2];
    pipe(fd);
    pid_t pid = fork();
    
    if(pid == 0)
    {
        /*子进程向管道写*/
        /*sleep(3); read读设备的时候，默认是会阻塞等待的，写进程睡眠的时候，读进程会阻塞等待，直到读取到数据*/
        char str[] = "hello pipe...\n";
        write(fd[1], str, sizeof(str));
    }
    if(pid > 0)
    {
        char buf[15] = {0}; /*创建一个缓冲区来缓存读出的数据*/
        /*read读设备的时候，默认是会阻塞等待的*/
        int ret = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        if(ret > 0)
        {
            write(STDOUT_FILENO, buf, ret);
        }
    }
    return 0;
}

由于resd()函数读设备时默认阻塞等待的特性，即使写进程没有立即写，读进程也能读到数据，因为它会阻塞等待。

❀示例2：使用管道实现 ps | grep 命令

/************************************************************
  >File Name  : mpsgrep.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月21日 星期六 18时08分56秒
  >************************************************************/
  >#include <stdio.h>
  >#include <stdlib.h>
  >#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int fd[2];
    pipe(fd);
    pid_t pid = fork(); /*一个进程执行ps一个进程执行grep来实现 ps | grep*/
    
    if(pid == 0) /*子进程执行ps*/
    {/*把ps的执行结果传给grep，所以子进程写，父进程读*/
        /*首先把ps命令的执行结果重定向到管道的写端（默认将执行结果输出到stdout）*/
        dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
        /*拉起ps进程*/
        execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
    }
    
    if(pid > 0) /*父进程执行grep*/
    {
        /*把grep读取重定向到fd[0]，因为默认grep是在stdin获取输入的*/
        /*如果在shell命令行使用grep，模式是在标准输入中匹配*/
        dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
        /*拉起grep进程*/
        execlp("grep", "grep", argv[1], NULL);
    }
    
    return 0;
}

上面的程序执行后，可以看到输出结果，确实显示了bash相关的进程信息

我们再起一个终端，使用 ps aux 命令查看进程会发现，子进程中拉起的ps进程变成了僵尸进程，并且父进程没有退出。（实际上，如果父进程退出了，子进程就会被init进程收养并回收）

ps进程变成僵尸进程是因为，我们在父进程中并没有回收子进程，因为execlp()函数拉起一个进程后，如果执行成功，就不会再返回了，那么我们也没办法去回收这个子进程ps。但是我们知道，如果父进程终止了，子进程就会被init进程收养并回收，所以我们只要让父进程（也就是程序中的grep进程）退出，就可以解决子进程回收问题了。

下面，我们分析下父进程为什么没有退出，正常情况下，父进程执行完grep命令就应该正常退出的。实际上，这是管道的特性引起的，我们知道，pipe()创建管道后会在内核分配一个缓冲区，并返回两个文件描述符，父进程和子进程都持有读写这两个文件描述符。我们在进程间通信的时候，因为管道是单向数据流通，所以只有一个进程写一个进程读，比如上面的程序，我们让子进程写，让父进程读，但这并不代表父进程不持有写端文件描述符。问题就在这里，虽然子进程已经变成了僵尸进程，但是父进程依然持有写端文件描述符，所以父进程就会认为还存在其他进程来写入管道，于是父进程就会等待写入，而不退出。

解决方法就是，我们在进程间通信时，要保证数据单向流通，在读进程中关闭管道的写端文件描述符，在写进程中关闭管道的读端文件描述符。我们依据这个原则来改造一下上面的程序即可。

/************************************************************
  >File Name  : mpsgrep_02.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月21日 星期六 18时08分56秒
  >************************************************************/
  >#include <stdio.h>
  >#include <stdlib.h>
  >#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int fd[2];
    pipe(fd);
    pid_t pid = fork(); /*一个进程执行ps一个进程执行grep来实现 ps | grep*/
    
    if(pid == 0) /*子进程执行ps*/
    {/*把ps的执行结果传给grep，所以子进程写，父进程读*/
        /*关闭读端文件描述符，保证数据单向流通*/
        close(fd[0]);
        /*首先把ps命令的执行结果重定向到管道的写端（默认将执行结果输出到stdout）*/
        dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
        /*拉起ps进程*/
        execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
    }
    
    if(pid > 0) /*父进程执行grep*/
    {
        /*关闭写端文件描述符，保证数据单向流通，防止读进程阻塞*/
        close(fd[1]);
        /*把grep读取重定向到fd[0]，因为默认grep是在stdin获取输入的*/
        /*如果在shell命令行使用grep，模式是在标准输入中匹配*/
        dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
        /*拉起grep进程*/
        execlp("grep", "grep", argv[1], NULL);
    }
    
    return 0;
}

这样，父进程就不会阻塞等待，而是直接退出，而子进程也不会产生僵尸进程。

3.管道的读写行为

使用管道进行进程间通信的时候，假设没有设置O_NONBLOCK标志（也就是说都是阻塞I/O操作），有以下几种特殊情况

• 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。
• 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。
• 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。（在讲信号的时候会细说）
• 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

其实，总的来说可以分为读管道和写管道两种的情况

读管道

1. 如果管道中有数据，read返回实际读到的字节数。
2. 如果管道中无数据：

• 如果管道写端被全部关闭，read返回0，相当于读到文件结尾。
• 如果写端没有全部被关闭，read阻塞等待（不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu），如果不想让read阻塞，可以使用fcntl设置非阻塞。

写管道

1. 如果管道读端全部被关闭，会产生一个信号SIGPIPE，进程异常终止（也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止）。
2. 如果管道读端没有全部关闭

• 如果管道已满，write阻塞，（管道实际上是内核中的一个缓冲区，它是有大小的）。
• 如果管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

/************************************************************
  >File Name  : pipe_test2.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月21日 星期六 17时53分56秒
  >************************************************************/
  >#include <stdio.h>
  >#include <stdlib.h>
  >#include <unistd.h>
  >#include <sys/types.h>
  >#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int fd[2];
    pipe(fd);
    pid_t pid = fork();
    
    if(pid == 0)
    {
        sleep(3); 
        close(fd[0]); /*关闭读端*/
        char str[] = "hello pipe...\n";
        write(fd[1], str, sizeof(str));
        close(fd[1]); /*关闭写端*/
        while(1)
        {
            sleep(1);
        }
    }
    if(pid > 0)
    {
        close(fd[1]); /*关闭写端*/
        close(fd[0]); /*关闭读端*/
        char buf[15] = {0}; 
        
        int status;
        wait(&status);
        if(WIFSIGNALED(status))
        {
            printf("kill: %d\n", WTERMSIG(status));
        }
        while(1)
        {
            int ret = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
            if(ret > 0)
            {
                write(STDOUT_FILENO, buf, ret);
            }
        }
    }
    return 0;
}

4.管道（缓冲区）大小

使用命令查看

ulimit -a

管道大小是8个512byte的大小。

也可以使用函数fpathconf()查看

#include <unistd.h>

long fpathconf(int fd, int name); 
/*fd可以是fd[0]或fd[1]，name是一个选项*/

实际上使用 ulimit -a 看到的是内核给管道的大小，但是管道的容量实际上可能要比这个值大。

5.管道的优缺点

优点：

• 简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。（其实要想实现父进程和子进程双向通信，可以创建两个管道）

缺点：

• 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。
• 只能用于有血缘关系的进程间通信（父子、兄弟等有共同祖先的进程），有名管道可解决该问题。

以上就是Android Framework中的IPC通信协议中的管道（pipe）解析；关于framework的通信机制或更多framework的进阶，可以前往《framework精核内篇》里面知识点上百个帮你升级打怪。

总结

• 管道也称无名管道，是 UNIX 系统中进程间通信(IPC)中的一种。
• 管道由于是无名管道，因此只能在有亲缘关系的进程间使用。
• 管道不是普通的文件，它是基于内存的。
• 管道属于半双工，数据只能从一方流向另一方，也即数据只能从一端写，从另一端读。
• 管道中读数据是一次性的操作，数据读取后就会释放空间，让出空间供更多的数据写。
• 管道写数据遵循先入先出的原则。