Linux环境中管道通信的实现 
摘要　Linux系统提供了丰富的进程通信手段，如信号、信号灯、管道、共享内存、消息队列等，能有效地完成多个进程间的信息共享和数据交换。本文主要设计了Linux环境中的管道通信，并给出了利用该技术制作程序运行进程通信的实例。
关键词　管道；进程通信；IPC；Motif；进程条
1　引言
Linux系统提供了丰富的进程通信手段，如信号、信号灯、管道、共享内存、消息队列等，能有效地完成多个进程间的信息共享和数据交换。管道作为最早的进程间通信机制之一，可以在进程之间提供简单的数据交换和通信功能。
2　管道技术简介
2.1　管道的概念及特点
    管道分为无名管道和有名管道两种。无名管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，如父子进
程、兄弟进程。有名管道克服了管道没有名字的限制，允许无亲缘关系进程间的通信。本文应用的是无名管道通信机制。
    管道具有以下特点：
    （1）管道是半双工的，数据只能单向流动；需要相互通信时，就要建立两个管道。
    （2）只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程，有名管道则突破了这一限制）。
    （3）单独构成一种独立的文件系统，并且只存在于内存中。
    （4）数据的读出和写入都是单向的：一个进程向管道中写的数据被管道另一端的进程读出。写入的数据每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。
2.2　管道的创建
    #include <unistd.h>
    int pipe(int fd[2])
    该函数是Linux的一个系统调用，其创建的管道两端处于一个进程中间。要用其实现父子进程之间的通信则需要在由pipe()创建管道后，再由系统调用fork创建一个新的子进程，然后通过管道在这两个进程间传送数据，实现进程间的通信（同样，不是父子关系和两个进程，只要两个进程中存在亲缘关系——具有共同的祖先，都可以采用管道方式来进行通信）。
2.3　管道的读写
    Pipe函数有一个参数fd[2]，是用于管道两端的描述字。管道一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，即管道读端；另一端则只能用于写，由描述字fd[1]表示，即管道写端。既不能从管道写端读取数据，也不能向管道读端写入数据。I/O函数close、read、write等都可以用于对管道进行操作。
从管道中读取数据时，如果管道的写端不存在，则认为已经读到了数据末尾，读函数返回的读出字节数为0；若管道写端存在，如果请求的字节数目大于管道中现有的数据字节数，则返回管道中现有数据字节数；否则返回请求的字节数。
向管道中写入数据时，只要管道缓冲区有空闲区域，写进程就会试图向管道中写入数据。如
果读数据的进程不读走管道缓冲区中的数据，那么将导致写操作的阻塞。这是管道通信的一个弊端。
3  Gcc的使用
Gcc编译器能将C、C++语言源程序、汇程式化序和目标程序编译、连接成可执行文件，如果没有给出可执行文件的名字，gcc将生成一个名为a.out的文件。在Linux系统中，可执行文件没有统一的后缀，系统从文件的属性来区分可执行文件和不可执行文件。
Gcc的执行过程
虽然我们称Gcc是C语言的编译器，但使用gcc由C语言源代码文件生成可执行文件的过程不仅仅是编译的过程，而是要经历四个相互关联的步骤∶预处理(也称预编译，Preprocessing)、编译(Compilation)、汇编(Assembly)和连接(Linking)。
命令gcc首先调用cpp进行预处理，在预处理过程中，对源代码文件中的文件包含(include)、预编译语句(如宏定义define等)进行分析。
接着调用cc1进行编译，这个阶段根据输入文件生成以.o为后缀的目标文件。汇编过程是针对汇编语言的步骤，调用as进行工作，一般来讲，.S为后缀的汇编语言源代码文件和汇编、.s为后缀的汇编语言文件经过预编译和汇编之后都生成以.o为后缀的目标文件。
当所有的目标文件都生成之后，gcc就调用ld来完成最后的关键性工作，这个阶段就是连接。在连接阶段，所有的目标文件被安排在可执行程序中的恰当的位置，同时，该程序所调用到的库函数也从各自所在的档案库中连到合适的地方。
4  实现步骤
4.1 管道的创建
管道是一种最基本的IPC机制，由pipe函数创建：
#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);
调用pipe函数时在内核中开辟一块缓冲区（称为管道）用于通信，它有一个读端一个写端，
然后通过filedes参数传出给用户程序两个文件描述符，filedes[0]指向管道的读端，filedes[1]指向管道的写端（很好记，就像0是标准输入1是标准输出一样）。所以管道在用户程序看起来就像一个打开的文件，通过read(filedes[0]);或者write(filedes[1]);向这个文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。pipe函数调用成功返回0，调用失败返回-1。
开辟了管道之后如何实现两个进程间的通信呢？比如可以按下面的步骤通信。
1. 父进程调用pipe开辟管道，得到两个文件描述符指向管道的两端。
2. 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。
3. 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以往管道里写，子进程可以从管道里读，管道是用环形队列实现的，数据从写端流入从读端流出，这样就实现了进程间通信。
   
  4.2  源程序的编写
所使用的头文件：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<unistd.h>
#include<memory.h>
创建管道函数：
int main()
{
pid_t result;
int r_num;
int pipe_fd[2];
char buf_r[200];
memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
if(pipe(pipe_fd)<0){
  printf("创建管道失败");
  return -1;
}
创建子进程函数：
if(result<0){
  printf("创建子进程失败");
  exit;
}
else if(result==0){
  sleep(5);
  close(pipe_fd[1]);
  if((r_num=read(pipe_fd[0],buf_r,200))>0){
  printf("子进程从管道读取%d个字符,读取的字符串是:%s\n",r_num,buf_r);
  }
  close(pipe_fd[0]);
  exit(0);
}
else{
  close(pipe_fd[0]);
创建父进程函数：
if(write(pipe_fd[1],"**Hello world !**",17)!=-1)
  printf("父进程向管道写入**Hello world !**\n");
  if(write(pipe_fd[1]," **Welcome !**",15)!=-1)
  printf("父进程向管道写入**Hello world !**\n");
  close(pipe_fd[1]);
  waitpid(result,NULL,0);
  exit(0);
}
}
5  运行结果：
   
5.1  编译源程序www.c
    Gcc –Wall www.c –o www
5.2  执行源程序www
    ./www
5.3  运行结果
C语言编译环境
在终端下编译www.c文件成为可执行文件www
命令为：gcc –Wall www.c –o www
执行程序www，运行结果如下：
父进程向管道中输入**Hello world！**与**Welcome！**
子进程从管道中读出32个字符，分别为**Hello world！**，**Welcome！**。
6  实验源程序：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<unistd.h>
#include<memory.h>
int main()
{
printf输出格式linux
pid_t result;
int r_num;
int pipe_fd[2];
char buf_r[200];
memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
if(pipe(pipe_fd)<0){
  printf("创建管道失败");
  return -1;
}
result=fork();
if(result<0){
  printf("创建子进程失败");
  exit;
}
else if(result==0){
  sleep(5);
  close(pipe_fd[1]);
  if((r_num=read(pipe_fd[0],buf_r,200))>0){
  printf("子进程从管道读取%d个字符,读取的字符串是:%s\n",r_num,buf_r);
  }
  close(pipe_fd[0]);
  exit(0);
}
else{
  close(pipe_fd[0]);
  if(write(pipe_fd[1],"**Hello world !**",17)!=-1)
  printf("父进程向管道写入**Hello world !**\n");
  if(write(pipe_fd[1]," **Welcome !**",15)!=-1)
  printf("父进程向管道写入**Hello world !**\n");
  close(pipe_fd[1]);
  waitpid(result,NULL,0);
  exit(0);
}
}

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