# 管道的概述
管道也叫无名管道，他是`UNIX`系统`IPC`的最古老形式，所有的`UNIX`系统都支持这种通信机制。作用与有血缘关系的进程之间，完成数据传递。
# 管道的特征
管道有如下特点
> 1. <font color="#FF0000">管道的本质是一个伪文件，不属于某个文件系统（实际为内核缓冲区）</font>
> 2. 写入管道的数据遵循先入先出的规则
> 3. 管道所传送的数据是无格式的，这要求管道的读出写入方必须实现约定好数据的格式，如多少字节算一个消息等。
**管道的原理**：<font color="#FF0000">管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区（4K）实现</font>
管道的局限性：
> 1. 数据不能进程自己写，自己读
> 2. <font color="#FF0000">从管道读操作时一次性操作，数据一旦被读走，他就从管道中被抛弃</font> ，释放更多空间写更多的数据
> 3. 管道为为双向半双工，数据在同一时刻只能在一个方向上流动
> 4. 管道没有名字，只能在具有血缘关系的进程之间使用
无名管道是一种特殊类型的文件，在应用层体现为两个打开的文件描述符。
常见的通信方式有：单工通信、半双工通信、全双工通信。
# 管道的基本用法
## pipe函数
函数原型：int pipe(int pipefd[2]);
作用：创建匿名管道
头文件：
- #include <unistd.h>
参数：
- pipefd: 为 int 型数组的首地址，其存放了管道的文件描述符 pipefd[0]、pipefd[1]。
当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符 `fd[0]` 和 `fd[1]`。其中 `fd[0]` 固定用于读管道，而 fd[1] 固定用于写管道。一般文件 I/O 的函数都可以用来操作管道( lseek() 除外)。
返回值：
- 成功：0
- 失败：-1
使用`pipe`函数创建的管道默认都是打开的，无需open，但需要手动close。规定 `fd[0] -> r` ，
`fd[1] -> w`。向管道文件进行读写数据其实就是在读写内核缓冲区。
## 案例
下面我们写这个一个例子，子进程通过无名管道给父进程传递一个字符串数据：
```c
#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <error.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[]){
pid_t pid;
int fd[2];
int ret = pipe(fd); //创建管道
if(ret == -1){
perror("pipe error");
exit(1);
}
pid = fork();
if(pid == -1){
perror("fork error");
exit(1);
} else if(pid == 0) {
close(fd[1]);//在子进程内关闭写端
char buf[1024];
int n = read(fd[0], buf, sizeof(buf));//从fd[0]中读取数据到 buf 缓冲区中
write(STDOUT_FILENO, buf, n); //把读到的东西输出到屏幕上
close(fd[0]);
} else {
close(fd[0]); //关闭读端
char *str = "hello pipe\n";
write(fd[1],str, strlen(str)); //向fd[1]里面写
close(fd[1]);
}
return 0;
}
```
程序执行结果如下
在上述代码中有一个`BUG`，就是没有使用`sleep` 或者 `wait` 函数去保证 `fork`后是父进程先写，子进程在读，可是仍然完成可我们想要的形式，这就牵扯到了<font color="#FF0000">管道的读写行为</font>
## 管道的读写行为
每个管道只有一个页面作为缓冲区，该页面是按照环形缓冲区的方式来使用的。这种访问方式是典型的<font color="#FF0000">“生产者——消费者”</font>模型。当“生产者”进程有大量的数据需要写时，而且每当写满一个页面就需要进行睡眠等待，等待“消费者”从管道中读走一些数据，为其腾出一些空间。相应的，如果管道中没有可读数据，“消费者” 进程就要睡眠等待，具体过程如下图所示：
默认的情况下，从管道中读写数据，<font color="#FF0000">最主要的特点就是阻塞问题，当管道里没有数据，另一个进程默认用 read() 函数从管道中读数据是阻塞的。</font>
特点总结如下：
- 读管道：
- 管道中有数据，read返回实际读到的字节数
- 管道中无数据：
- 1. 管道写端全部被关闭，read 返回 0 （类似读到文件结尾）
- 2. 管道写端没有全部被关闭，read 阻塞等待（此时会让出cpu）
- 写管道：
- 管道读端全部被关闭，进程异常终止（也可以使用SIGPIPE信号，使进程不终止）
- 管道读端没有全部关闭
- 1.管道以满，write 阻塞
- 2. 管道未满， write 将数据写入，并返回实际写入的字节数
## 案例
使用管道实现父子进程间通信，完成 `ls | wc - l` 假定父进程实现 `ls`， 子进程实现 `wc`
```c
#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <error.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[]){
pid_t pid;
int fd[2];
int ret = pipe(fd);
if(ret == -1){
perror("pipe error");
exit(1);
}
pid = fork();
if(pid == -1){
perror("fork error");
exit(1);
} else if(pid == 0) {
close(fd[1]);
dup2(fd[0], STDIN_FILENO); //将子进程的输入由屏幕数去重定向为从管道读取数据
execlp("wc", "wc", "-l",NULL);//执行 wc -l 命令
perror("execlp error");
} else {
close(fd[0]);
dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);//将输出由向屏幕输出重定向为向管道输出
execlp("ls", "ls", NULL);
perror("execlp error");
}
return 0;
}
```
程序执行结果如下
程序执行，发现程序执行结束 shell 还在阻塞等待用户输入，这是因为 `shell -> fork -> ./ls_wc_l`，程序 `ls_wc_l` 的子进程将 `stdin` 重定向给管道，父进程执行的 `ls` 会将结果集通过管道写给子进程。若父进程在子进程打印 `wc` 的结果到屏幕之前被 `shell` 调用 `wait` 回收，那么 `shell` 就会先输出 `$` 提示符，也就是图片的情况。
上述代码还有一个`bug`就是文件描述符没有被关闭，但是由于笔者目前水平不够，没有办法处理 在调用 `exec`族函数后关闭文件描述符的能力，后期学了信号在改吧。
# 兄弟进程间通信
使用管道实现兄弟进程间通信。兄执行：`ls` 命令，弟执行：`wc -l` 命令，父：等待回收子进程，要求使用循环创建多个子进程的方式创建兄弟进程。
```c
#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <error.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main(int argc, char *argv[]){
pid_t pid;
int fd[2];
int ret = pipe(fd);
if(ret == -1){
perror("pipe error");
exit(1);
}
int i = 0;
for(i = 0;i < 3;i++){
pid = fork();
if(pid == 0)
break;
}
if(i == 0){
close(fd[1]);
dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
execlp("wc", "wc", "-l",NULL);
perror("execlp error");
} else if(i == 1) {
close(fd[0]);
dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
execlp("ls", "ls", NULL);
perror("execlp error");
} else {
close(fd[0]); //这里必须关闭，如果不关闭，不满足管道内的数据使单向流通的，具体看下图
close(fd[1]);
wait(NULL);
wait(NULL);
}
return 0;
}
```
## 管道缓冲区的大小
可以使用 `ulimit -a` 命令查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小，通常为：
> pipe size (512 bytes, -p) 8
## 一些无聊的测试
只要保证管道内的数据是单向流动的，可以实现多个读端一个写端，也可以实现多个写端一个读端，或者多个读多个写，但是建议还是一对一，可以保障数据流动的稳定。
## 管道优劣
优点：简单，相比信号、套接字实现进程间通信简答的多
缺点：
- 只能单向通信，双向通信需要建立两个管道
- 只能用于父子、兄弟（有公共祖先）进程间通信，后面可以使用FIFO有名管道解决。
Linux系统编程——管道