管道的讀寫行為

使用管道需要注意以下4種特殊情況（默認都是阻塞I/O操作，沒有設置O_NONBLOCK標志）：

1. 如果所有指向管道寫端的文件描述符都關閉了（管道寫端引用計數為0），而仍然有進程從管道的讀端讀數據，那么管道中剩余的數據都被讀取后，再次read會返回0，就像讀到文件末尾一樣。

2. 如果有指向管道寫端的文件描述符沒關閉（管道寫端引用計數大于0），而持有管道寫端的進程也沒有向管道中寫數據，這時有進程從管道讀端讀數據，那么管道中剩余的數據都被讀取后，再次read會阻塞，直到管道中有數據可讀了才讀取數據并返回。

3. 如果所有指向管道讀端的文件描述符都關閉了（管道讀端引用計數為0），這時有進程向管道的寫端write，那么該進程會收到信號SIGPIPE，通常會導致進程異常終止。當然也可以對SIGPIPE信號實施捕捉，不終止進程。具體方法信號章節詳細介紹。

4. 如果有指向管道讀端的文件描述符沒關閉（管道讀端引用計數大于0），而持有管道讀端的進程也沒有從管道中讀數據，這時有進程向管道寫端寫數據，那么在管道被寫滿時再次write會阻塞，直到管道中有空位置了才寫入數據并返回。

總結：

讀管道：1.管道中有數據，read返回實際讀到的字節數。2.管道中無數據：管道寫端被全部關閉，read返回0（好像讀到文件結尾）；寫端沒有全部被關閉，read阻塞等待（不久的將來可能有數據遞達，此時會讓出cpu）。

寫管道：1.管道讀端全部被關閉，進程異常終止（也可使用捕捉SIGPIPE信號，使進程不終止）。2. 管道讀端沒有全部關閉：管道已滿，write阻塞；管道未滿，write將數據寫入，并返回實際寫入的字節數。

重點注意：

如果寫入的數據大小n<=PIPE_BUF時，linux保證寫入的原子性，即要么不寫，要么全寫入。如果沒有足夠的空間供n個字節全部寫入，則會阻塞直到有足夠空間供n個字節全部寫入；如果寫入的數據大小n>PIPE_BUF時，寫入不再具有原子性，可能中間有其它進程穿插寫入，其自身也會阻塞，直到將n字節全部寫入在才返回寫入的字節數，否則阻塞等待。

讀數據時，如果請求讀取的數據（read函數的緩沖區）大小>=PIPE_BUF，則直接返回管道中現有的數據字節數（即將管道中的數據全部讀出）；如果< PIPE_BUF，則返回管道中現有的數據字節數（此時管道中的實際數據量<=請求的數據量大小），或者返回請求數據量的大小。

練習1：父子進程使用管道通信，父寫入字符串，子進程讀出并打印到屏幕。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main(void)
{int ret,fd1;char *p="zhangshuxiong\n";int fd[2];ret = pipe(fd);if(ret == -1){perror("pipe");exit(1);}fd1 = fork( );if(fd1 == -1){perror("fork");exit(1);}else if(fd1 == 0) {sleep(3);   //子進程睡3秒close(fd[1]);  //子進程關閉寫端char buff[1024]={0};ret =  read(fd[0],buff,1024);  //子進程讀數據if(ret == -1){perror("read");exit(1);}else if(ret == 0) {printf("父進程沒有向管道里寫入數據\n");}else {int res= write(STDOUT_FILENO,buff,ret);  //將讀出的數據輸出到屏幕if(res == -1){perror("write");exit(1);}}close(fd[0]);  //子進程結束前關閉掉文件描述符}else {close(fd[0]);int rer = write(fd[1],p,strlen(p));  //父進程寫入數據if(rer == -1){perror("write");exit(1);}close(fd[1]);  //父進程結束前關閉掉文件描述符wait( NULL );  //父進程回收（阻塞等待）}return 0;
}

[root@localhost pipe]# ./pip

zhangshuxiong

[root@localhost pipe]#???? //可見，如果沒有wait，則父進程會先結束，正因為有了wait，父進程會等待子進程結束，最后shell進程才會收回前臺，等待與用戶交互。注意，即使沒有sleep函數，依然能保證子進程運行時一定會讀到數據，因為是阻塞讀。

?

練習2：使用管道實現父子進程間通信，完成：ls | wc –l。假定父進程實現ls，子進程實現wc。

[root@localhost pipe]# ls

makefile? pip? pip.c? pipe? pipe1? pipe1.c? pipe2? pipe2.c? pipe3? pipe3.c? pipe.c? pipe_test? pipe_test.c? test

[root@localhost pipe]# ls | wc –l? ?//統計文件的字數

14

其實 ls | wc –l命令執行后，shell進程會創建兩個子進程，并創建一個管道，用于兩子進程通信，下面給出詳細實現過程：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(void)
{int ret,fd1;int fd[2];ret = pipe(fd);if(ret == -1){perror("pipe");exit(1);}fd1 = fork( );if(fd1 == -1){perror("fork");exit(1);}else if(fd1 == 0) {close(fd[1]);int as = dup2(fd[0],STDIN_FILENO);  //將標準輸入重定向到管道讀端if(as == -1){perror("dup2");exit(1);}close(fd[0]);  //只是關了fd[0]，不關也可以，進程結束會自動關閉execlp("wc","wc","-l",NULL);  //該命令從標準輸入讀取文本}else {close(fd[0]);int as = dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);  //將標準輸出重定向到管道寫端if(as == -1){perror("dup2");exit(1);}execlp("ls","ls",NULL);  ///該命令結果會寫到標準輸出}return 0;
}

[root@localhost pipe]# ./pip

14???????????????????? ?//可見，跟ls | wc –l的結果一樣

注意，上述程序并沒有考慮到子進程的回收問題，如果父進程比子進程先結束，子進程會被init進程回收；后結束，子進程會先變為僵尸進程，等父進程結束了，再被init進程回收。

ls命令正常會將結果集寫出到stdout，但現在會寫入管道的寫端；wc –l 正常應該從stdin讀取數據，但此時會從管道的讀端讀。

也有可能會出現這種情況：程序執行，發現程序執行結束，shell還在阻塞等待用戶輸入。這是因為，shell → fork → ./pipe1， 程序pipe1的子進程將stdin重定向給管道，父進程執行的ls會將結果集通過管道寫給子進程。若父進程在子進程打印wc的結果到屏幕之前被shell調用wait回收，shell就會先輸出$提示符。

?

練習3：使用管道實現兄弟進程間通信。 兄：ls? 弟： wc -l? 父：等待回收子進程。要求，使用“循環創建N個子進程”模型創建兄弟進程，使用循環因子i標示。注意管道讀寫行為。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>int main(void)
{int i,ret,fd1;int n=2;int fd[2];ret = pipe(fd);if(ret == -1){perror("pipe");exit(1);}for(i=0;i<n;i++){fd1 = fork( );if(fd1 == -1){perror("fork");exit(1);}else if(fd1 == 0)break;}if(i == n){close(fd[0]);close(fd[1]);  //特別強調，父進程不用管道，必須要關掉，否則運行出錯（為了維護管道的單向通信）int status;do {pid_t pid=waitpid(-1,&status,0);if(pid > 0)n--;if(pid == -1){perror("waitpid");exit(1);}if(WIFEXITED(status))printf("the child process of exit with %d\n",WEXITSTATUS(status));else if(WIFSIGNALED(status))printf("the child process was killed by %dth signal\n",WTERMSIG(status));}while(n>0);}else if(i == 1) {close(fd[1]);int as = dup2(fd[0],STDIN_FILENO);if(as == -1){perror("dup2");exit(1);}close(fd[0]);execlp("wc","wc","-l",NULL);}else {close(fd[0]);int as = dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);if(as == -1){perror("dup2");exit(1);}execlp("ls","ls",NULL);}return 0;
}

[root@localhost pipe]# ./pip

14

the child process of exit with 0

the child process of exit with 0

強調一點：在使用管道傳遞數據之前，不用的管道讀或寫端都必須要關閉，這是為了維護管道的正常運行（單向通信）。

?

測試：是否允許，一個pipe有一個寫端，多個讀端呢？是否允許有一個讀端多個寫端呢？

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>int main(void)
{pid_t pid;int fd[2], i, n;char buf[1024];int ret = pipe(fd);if(ret == -1){perror("pipe error");exit(1);}for(i = 0; i < 2; i++){if((pid = fork()) == 0)break;else if(pid == -1){perror("pipe error");exit(1);}}if (i == 0) {close(fd[0]);write(fd[1], "1.hello\n", strlen("1.hello\n"));} else if(i == 1) {close(fd[0]);write(fd[1], "2.world\n", strlen("2.world\n"));} else {close(fd[1]);       //父進程關閉寫端,留讀端讀取數據    //sleep(1);   //這條語句是很關鍵的n = read(fd[0], buf, 1024);     //從管道中讀數據write(STDOUT_FILENO, buf, n);for(i = 0; i < 2; i++)          //兩個兒子wait兩次wait(NULL);}return 0;
}

如果父進程不睡眠：

[root@localhost pipe]# ./pipe3

2.world

1.hello

[root@localhost pipe]# ./pipe3

1.hello

[root@localhost pipe]# ./pipe3

2.world

可見：三個進程的執行順序是隨機的，如果兩個子進程在父進程讀之前，都先寫入，那么兩個都會讀出。為了確保兩個都讀出，可以使用讀兩次的方法，也可以讓父進程先睡眠一會，如下：

如果父進程睡眠：

[root@localhost pipe]# ./pipe3

1.hello

2.world

[root@localhost pipe]# ./pipe3

1.hello

2.world

?

最終練習：統計當前系統中進程ID大于10000的進程個數。

提示： 采用awk命令，可以統計文本中符合條件列的個數及和。運用ps aux和管道。

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