Linux编程之pipe()函数详解

在Linux编程中，pipe()是一个重要的函数，用于在两个进程之间创建一个管道，从而实现进程间通信。本文将详细讲解pipe()函数的使用方法、注意事项及示例说明。

管道的创建

调用pipe()函数可以创建一个管道，该函数的原型如下：

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

其中，pipefd是一个整型数组，用于存储管道两端的文件描述符。pipefd[0]代表读端，pipefd[1]代表写端。

需要注意的是，pipe()函数必须在创建进程之前调用，这是因为管道只能在父进程和子进程之间进行通信，而且在fork函数之后，父进程和子进程拥有相同的文件描述符表，因此在子进程调用pipe()函数创建管道已经来不及了。

管道的通信

管道的通信是通过read()和write()函数完成的，其中读操作和写操作分别在不同的进程中进行。如下图所示，假设有两个进程P1和P2，通过pipe()函数创建一个管道，并且P1写入数据到管道中，P2从管道中读出数据。

+------+         +------+
|  P1  |         |  P2  |
+------+         +------+
   |  ------------->  |
   |                 |
   |                 |
   |  <-------------  |
   |                  |
+--------+         +--------+
| Write  |         |  Read  |
|  end   |         |  end   |
+--------+         +--------+

写端

在写端进程中，我们需要取得管道的写文件描述符，并通过write()函数将数据写入管道中，示例如下：

char *buffer = "Hello pipe!";

// 创建管道
int pipefd[2];
if (pipe(pipefd) == -1) {
    perror("pipe failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 子进程中写入数据
if (fork() == 0) {
    close(pipefd[0]); // 关闭读端
    write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));
    close(pipefd[1]);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

上述代码中，先创建了一个包含字符串数据的缓冲区buffer，随后通过pipe()函数创建了一个管道，并在子进程中进行写入操作。管道的写文件描述符为pipefd[1]，所以需要先关闭读端文件描述符pipefd[0]，然后使用write()函数将数据写入管道，最后关闭写文件描述符pipefd[1]。

读端

在读端进程中，我们需要取得管道的读文件描述符，并通过read()函数从管道中读取数据，示例如下：

char buffer[BUFSIZ];

// 创建管道
int pipefd[2];
if (pipe(pipefd) == -1) {
    perror("pipe failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 父进程中读取数据
if (fork() > 0) {
    close(pipefd[1]); // 关闭写端
    int len = read(pipefd[0], buffer, BUFSIZ - 1);
    buffer[len] = '\0';
    printf("Received message: %s\n", buffer);
    close(pipefd[0]);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

上述代码中，先创建了一个缓冲区buffer，随后通过pipe()函数创建了一个管道，并在父进程中进行读取操作。管道的读文件描述符为pipefd[0]，所以需要先关闭写端文件描述符pipefd[1]，然后使用read()函数从管道中读取数据，并将其保存到缓冲区中，最后打印出接收到的数据并关闭读文件描述符pipefd[0]。

注意事项

在使用pipe()函数时，需要注意以下几点：

• 管道是一个单向通信机制，一端写入后只能在另一端读取，不能同时读写。
• 管道的容量是有限的，写入数据超过管道容量时会阻塞，除非使用特殊标志。
• 管道的文件描述符不是永久性的，程序退出时会自动关闭。

示例说明

示例一：基本使用

上述代码中的示例即为管道的基本使用示例，实现了进程间的单向通信。

示例二：多进程通信

可使用多个子进程向同一管道中写入数据，父进程从中读取，并统计接收到的数据总和。

具体实现代码及解释如下：

// 定义进程数
#define PROCESS_NUM 3

// 主函数
int main(int argc, char *argv[]) {
    char buffer[BUFSIZ];

    // 创建管道
    int pipefd[2];
    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 创建多个子进程并向管道中写入数据
    for (int i = 0; i < PROCESS_NUM; i++) {
        if (fork() == 0) { // 子进程中
            close(pipefd[0]); // 关闭读端
            sprintf(buffer, "Message from child %d\n", i);
            write(pipefd[1], buffer, strlen(buffer));
            close(pipefd[1]);
            exit(EXIT_SUCCESS);
        }
    }

    // 父进程中读取并统计数据
    close(pipefd[1]); // 关闭写端
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < PROCESS_NUM; i++) {
        int len = read(pipefd[0], buffer, BUFSIZ - 1);
        buffer[len] = '\0';
        printf("Received message: %s", buffer);
        sum += len;
    }
    printf("Received total %d bytes.\n", sum);
    close(pipefd[0]);
    wait(NULL);

    return 0;
}

上述代码中，先定义了一个常量PROCESS_NUM，表示创建的子进程数。随后创建了一个包含读写文件描述符的管道，并使用fork()函数创建子进程，子进程中向管道中写入一条数据，并在写入完成后关闭写文件描述符。

在父进程中，读取管道中的数据并将其累加，最终打印出接收到的总数据量，并关闭读文件描述符。

通过以上代码，我们可以实现多个子进程同时向同一管道中写入数据，而父进程从中读取，并统计接收到的数据总和，从而实现了多进程之间的通信。