进程通信(1)管道

进程之间通信的方式有很多种，主要包括

管道
命名管道
信号
消息队列
共享内存
信号量
套接字

其中，管道是最早的一种进程间通信机制，主要适用于具有亲缘关系之间的进程间通信，比如，父进程与子进程之间，或者同一个父进程的两个子进程之间。同时，管道是一中半双工的通信，数据只能单向流动，从一段写入，另外一段读出。下面通过几个例子来看一下管道如何使用。

1. 函数原型

 #include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);

pipe函数创建一个管道，其声明在unistd.h当中，传入参数是一个int[2]数组，返回值如果为0表示，pipe创建成功，同时fd数组中存储两个文件描述符，fd[1]指向管道的写端，fd[0]指向管道的读端；如果小于0，表示创建失败。

2. 第一个例子

下面看一个最简单的例子

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
    int n ;
    int fd[2];
    char buf[1024];
    // 创建管道
    if (pipe(fd) < 0) {
        perror("pipe error");
    }
    write(fd[1], "hello world\n", 12);
    n = read(fd[0], buf, 1024);
    printf("%s",buf);
    return 0;
}

上面的代码很简单，就是创建了一个管道，然后向写端写入“hello world\n”字符串，然后从读端读出，存储到buf数组中，最后打印到屏幕。这个例子可以用下面的示意图来表示：

管道像一根单向的水管，数据像水一样从一端流入，从另一端流出。管道也是有缓冲空间的，如果一直写入不读取，那么缓冲空间会被占满，再往里面写数据就会失败(就像水管的流出端被关闭，水不能再流入一样)，同样的，如果只读不写，那么数据被读完之后，就没有东西可读了，再次读取也会失败。这个例子显然是没什么用途的，但是可以帮助我们理解什么是管道。

2. 第二个例子进程间通信

再来看第二个例子

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
    int n ;
    int status;
    pid_t pid;
    int fd[2];
    char buf[1024];
    // 创建管道
    if (pipe(fd) < 0) {
        perror("pipe error");
    }
    // 创建子进程
    if ((pid = fork()) < 0) {
        perror("fork error");
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程读取管道
        n = read(fd[0], buf, 1024);  
        printf("%s",buf);
    } else {
       // 父进程写入管道
        write(fd[1], "hello world\n", 12);
        // 父进程等待子进程结束
        if (wait(&status) < 0) {
            perror("wait error");
        }
    }
    return 0;
}

第二个例子比第一个例子稍微复杂了一些。首先，父进程创建了一个管道，然后fork出一个子进程。在子进程中读取管道内容，并打印内容，然后返回结束进程；在父进程中向管道写入字符串，然后等待子进程结束，最后结束进程。这个例子可以用下面的图来表示

执行fork之后，主进程创建了一个子进程，子进程完全复制父进程的虚拟内存空间(这个说法其实不严谨，见后文)，同时继承父进程打开的文件等资源，所以两个描述符也被继承下来，两个进程的fd数组具有相同的值，并且指向同样的pipe端口。因此，父子进程之前可以通过pipe实现通信。一般地，我们会在pipe写入端进程关闭读端，在pipe读入端关闭写端。在上面的代码中，加入两行

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
    int n ;
    int status;
    pid_t pid;
    int fd[2];
    char buf[1024];
    // 创建管道
    if (pipe(fd) < 0) {
        perror("pipe error");
    }
    // 创建子进程
    if ((pid = fork()) < 0) {
        perror("fork error");
    } else if (pid == 0) {
    	// 关闭写入端文件描述符
    	close(fd[1]);
        // 子进程读取管道
        n = read(fd[0], buf, 1024);  
        printf("%s",buf);
    } else {
    	// 关闭写入端文件描述符
    	close(fd[0]);
       // 父进程写入管道
        write(fd[1], "hello world\n", 12);
        // 父进程等待子进程结束
        if (wait(&status) < 0) {
            perror("wait error");
        }
    }
    return 0;
}

那么进程模型变成这样

3. 第三个例子，管道与重定向

第三个例子，我们把子进程的标准输入重定向到管道的读端口

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
    int n ;
    int status;
    pid_t pid;
    int fd[2];
    char buf[1024];
    if (pipe(fd) < 0) {
        perror("pipe error");
    }
    if ((pid = fork()) < 0) {
        perror("fork error");
    } else if (pid == 0) {
        close(fd[1])；
        if (fd[0] != STDIN_FILENO)  {
        	// 把stdin重定向到管道的输入端
            if (dup2(fd[0], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO) {
                perror("dup2 error");
            }
            // 重定向成功的话，那么读端就有了两个文件描述符，
            //分别是STDIN_FILENO和fd[0],此时可以关闭fd[0]，保留STDIN_FILENO即可
            close(fd[0]);
        }
        //此时可以通过STDIN_FILENO读取管道内容
        n = read(STDIN_FILENO, buf, 1024);  
        printf("%s",buf);
    } else {
        close(fd[0]);
        write(fd[1], "hello world\n", 12);
        if (wait(&status) < 0) {
            perror("wait error");
        }
    }
    return 0;
}

TIPS:
主进程创建了一个子进程，子进程完全复制父进程的虚拟内存空间这个说法其实是不严谨的，父子进程的代码段实际上是共用的，另外完全复制父进程的虚拟内存空间，会造成时间和内存上的浪费，有的时候根本没有必要完全复制，因此出现了cow(copy on write)技术，也就是“写时复制”，就是当子进程对某个变量进行写操作时，才进行复制。这个技术对用户程序是不可见的，因此，在用户程序层面上，认为子进程完全复制父进程的虚拟内存空间是完全没有问题的。