Linux——匿名管道

Linux——匿名管道

  • 什么是管道
  • 匿名管道的底層原理
  • 觀察匿名管道現象
    • 讀寫端的幾種情況
    • 寫端慢，讀端快
    • 寫端快，讀端慢
  • 管道的大小
    • 寫端關閉，讀端一直讀
    • 寫端一直寫，讀端關閉

我們之前一直用的是vim來編寫代碼，現在有了vscode這樣強大的編輯器，我們可以把我們的vim放一邊了，如果還有小伙伴還沒有配置好vscode的遠端，可以點擊這里：

https://blog.csdn.net/qq_67693066/article/details/136368891

我們今天進入管道的學習：

什么是管道

在計算機領域，管道（Pipeline）是一種將多個命令連接在一起以形成數據流的機制。它允許一個命令的輸出成為另一個命令的輸入，從而實現命令之間的數據傳遞和處理。

在 Unix/Linux 系統中，管道通常用豎線符號 | 表示。通過管道，可以將一個命令的輸出傳遞給另一個命令進行處理，從而構建復雜的數據處理流程。

例如，假設我們有兩個命令 command1 和 command2，我們可以使用管道將它們連接起來：

command1 | command2

這將會把 command1 的輸出作為 command2 的輸入，command2 將處理 command1 的輸出并生成最終的結果。

管道的優勢包括：

簡化復雜任務： 管道可以將多個簡單的命令組合成一個復雜的任務，使得任務的實現更加簡單和高效。
模塊化和可重用性： 通過將命令連接在一起，可以更好地組織代碼并提高代碼的可重用性。每個命令都可以專注于完成一個特定的任務。
減少臨時文件： 管道可以避免將數據存儲到臨時文件中，從而減少了文件 I/O 的開銷和磁盤空間的占用。
實時處理： 管道允許命令之間的實時數據傳遞，這對于需要連續處理數據的任務非常有用，比如日志處理、數據流分析等。

簡單來說，管道就是連接多個指令。我們之前也在頻繁使用管道：比如我們想統計當前登錄到系統的用戶數量。
在這里插入圖片描述
who指令的結果作為wc -l的輸入。

匿名管道的底層原理

我們這里講的簡單一點，現在我們有一個進程，它自身會被以讀和寫的方式分別打開一次：
在這里插入圖片描述
然后這個讀和寫都會往一個緩沖區輸入輸出數據：

這個時候父進程創建子進程，子進程發生淺拷貝，指向沒有發生變化：
在這里插入圖片描述
這里注意一下，管道一般是單向的，所以我們現在想讓父進程讀，讓子進程寫：
在這里插入圖片描述
這樣形成了一個單向通道，這個就是一個基本的匿名管道。

匿名管道（Anonymous Pipe）是一種用于進程間通信的機制，特別是在 Unix 和類 Unix 系統中。它允許一個進程將輸出發送到另一個進程的輸入，從而實現進程間的數據傳輸。
以下是匿名管道的一些關鍵特點：
單向通信：匿名管道是單向的，只能支持單向數據流。它只能用于單一方向的通信，通常是父進程到子進程或者相反。
創建：匿名管道通過調用系統調用 pipe() 來創建。這個系統調用創建了一個管道，返回兩個文件描述符，其中一個用于讀取管道，另一個用于寫入管道。
父子進程通信：通常，匿名管道用于父子進程之間的通信。在創建子進程后，父進程可以將數據寫入管道，而子進程則可以從管道中讀取這些數據。
半雙工：匿名管道是半雙工的，意味著數據只能在一個方向上流動。如果需要雙向通信，則需要創建兩個管道，或者使用其他的進程間通信機制，比如命名管道或套接字。
進程同步：匿名管道通常用于進程間的同步和協作。一個進程可能會阻塞在讀取管道上，直到另一個進程寫入數據到管道中為止。
匿名管道在 Unix 系統中被廣泛應用，特別是在 shell 編程和進程間通信方面。它提供了一種簡單而有效的方式，允許不同進程之間進行數據交換和協作

我也有專門創建管道的函數pipe：
在這里插入圖片描述
我們可以來試一下：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
using namespace std;int main()
{int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);cout<<"pipefd[0]"<<"--->"<<pipefd[0]<<"pipefd[1]"<<"--->"<<pipefd[1]<<endl;return 0;
}

運行：
在這里插入圖片描述
這里我們發現pipefd[0]指代的是3，而我們的pipefd[1]指代的是4。其實也很好理解，因為0，1，2被標準輸入，標準輸出，標準錯誤占了。所以從3開始。

同時，如果我么查手冊會看到這樣一段話：
在這里插入圖片描述
這段話的主要意思是pipefd[0]是讀端，而pipefd[1]是寫端。這為我們以后哪個開哪個關提供了依據。

觀察匿名管道現象

我們先搭建架子來觀察我們匿名管道的現象：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//創建子進程pid_t id = fork();//子進程if(id < 0){perror("fork fail");}if(id ==0){//子進程要做的事exit(0);}//父進程要做的事//回收子進程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

現在我們想讓子進程寫，父進程讀，我們把相應用不到的管道關閉：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//創建子進程pid_t id = fork();//子進程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子進程要做的事close(pipefd[0]); //關閉讀的通道exit(0);}//父進程要做的事close(pipefd[1]); //關閉寫的通道//回收子進程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

我們讓子進程寫入一些東西，然后讓父進程來讀，看看行不行：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define MAX 1024int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//創建子進程pid_t id = fork();//子進程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子進程要做的事close(pipefd[0]); //關閉讀的通道//向管道寫入int cnt = 10;while(cnt){//緩沖區char message[MAX];//向緩沖區里寫snprintf(message,sizeof(message),"hello father I am child my pid:%d cnt:%d ", getpid(),cnt);cnt--;//向管道寫write(pipefd[1],message,strlen(message));sleep(1);}exit(0);}//父進程要做的事close(pipefd[1]); //關閉寫的通道//從管道中讀取數據char buffer[MAX];while(true){ssize_t n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));if(n > 0){cout << getpid() << "," << "chid say :" << buffer << "to me" << endl;}}//回收子進程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

在這里插入圖片描述
我們看到父進程真的拿到了子進程寫的東西，這就是一個最基本的管道的應用。

讀寫端的幾種情況

寫端慢，讀端快

我們模擬一下，寫端慢，讀端快的情況

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define MAX 1024int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//創建子進程pid_t id = fork();//子進程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子進程要做的事close(pipefd[0]); //關閉讀的通道//向管道寫入int cnt = 10;while(cnt){//緩沖區char message[MAX];//向緩沖區里寫snprintf(message,sizeof(message),"hello father I am child my pid:%d cnt:%d ", getpid(),cnt);cnt--;//向管道寫write(pipefd[1],message,strlen(message));sleep(100); //模擬寫端慢}exit(0);}//父進程要做的事close(pipefd[1]); //關閉寫的通道//從管道中讀取數據char buffer[MAX];while(true){ssize_t n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));if(n > 0){cout << getpid() << "," << "chid say :" << buffer << "to me" << endl;}}//回收子進程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

在這里插入圖片描述
我們發現父進程處于一個休眠的狀態，很明顯，它是在等待我們的子進程進行寫入。

這里我們可以得出匿名管道具有同步機制，讀端和寫端是協同工作的。

寫端快，讀端慢

我們調換一下，讓寫端快，讀端快：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define MAX 1024int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//創建子進程pid_t id = fork();//子進程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子進程要做的事close(pipefd[0]); //關閉讀的通道//向管道寫入int cnt = 10000;while(cnt){//緩沖區char message[MAX];//向緩沖區里寫snprintf(message,sizeof(message),"hello father I am child my pid:%d cnt:%d ", getpid(),cnt);cnt--;//向管道寫write(pipefd[1],message,strlen(message));cout<<"writing......"<<endl;}exit(0);}//父進程要做的事close(pipefd[1]); //關閉寫的通道//從管道中讀取數據char buffer[MAX];while(true){sleep(2); //睡眠2秒ssize_t n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));if(n > 0){cout << getpid() << "," << "chid say :" << buffer << "to me" << endl;}}//回收子進程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

執行：
在這里插入圖片描述
過了2秒之后：
在這里插入圖片描述
數據一瞬間出來了。

這里我們可以得出匿名管道是面向字節流的，它沒有硬性規定我寫一條你必須馬上讀一條，而是以字節流的形式讀或寫。

管道的大小

我們可以寫一段代碼來測試我們管道的大小：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define MAX 1024int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//創建子進程pid_t id = fork();//子進程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子進程要做的事close(pipefd[0]); //關閉讀的通道//向管道寫入int cnt = 0;while(1){//   //緩沖區//   char message[MAX];//   //向緩沖區里寫//   snprintf(message,sizeof(message),"hello father I am child my pid:%d cnt:%d ", getpid(),cnt);//   cnt--;//   //向管道寫//   write(pipefd[1],message,strlen(message));//   cout<<"writing......"<<endl;char c = 'a';write(pipefd[1], &c, 1);cnt++;cout << "write ....: " << cnt << endl;}exit(0);}//父進程要做的事close(pipefd[1]); //關閉寫的通道//從管道中讀取數據char buffer[MAX];while(true){// sleep(2); //睡眠2秒// ssize_t n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));// if(n > 0)// {//    cout << getpid() << "," << "chid say :" << buffer << "to me" << endl;// }}//回收子進程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

在這里插入圖片描述
我們發現最后結果是65536，折合下來也就是64kb左右的大小。

我們也可以用指令來查看管道大小：ulimit -a：
在這里插入圖片描述

我們查看的管道大小為512 * 8 = 4kb，好像比我們看到的小。這個其實不是真正的大小。

寫端關閉，讀端一直讀

我們現在讓寫段寫一段時間后直接關閉，但是讀端沒有關閉：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define MAX 1024int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//創建子進程pid_t id = fork();//子進程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子進程要做的事close(pipefd[0]); //關閉讀的通道//向管道寫入int cnt = 0;while(1){//緩沖區char message[MAX];//向緩沖區里寫snprintf(message,sizeof(message),"hello father I am child my pid:%d cnt:%d ", getpid(),cnt);cnt++;//向管道寫write(pipefd[1],message,strlen(message));//跳出if(cnt > 3) break;// char c = 'a';// write(pipefd[1], &c, 1);// cnt++;// cout << "write ....: " << cnt << endl;}//關閉寫端close(pipefd[1]);exit(0);}//父進程要做的事close(pipefd[1]); //關閉寫的通道//從管道中讀取數據char buffer[MAX];while(true){//sleep(2); //睡眠2秒ssize_t n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));if(n > 0){cout << getpid() << "," << "chid say :" << buffer << "to me" << endl;}cout<<"father return value:"<< n << endl;sleep(1);}//回收子進程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

在這里插入圖片描述
這樣表示：寫端關閉，讀端一直讀取, 讀端會讀到read返回值為0， 表示讀到文件結尾。

同時注意，進程退出，管道自動關閉。

寫端一直寫，讀端關閉

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define MAX 1024int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//創建子進程pid_t id = fork();//子進程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子進程要做的事close(pipefd[0]); //關閉讀的通道//向管道寫入int cnt = 0;while(true){//緩沖區char message[MAX];//向緩沖區里寫snprintf(message,sizeof(message),"hello father I am child my pid:%d cnt:%d ", getpid(),cnt);cnt++;//向管道寫write(pipefd[1],message,strlen(message));sleep(1);//跳出//if(cnt > 3) break;// char c = 'a';// write(pipefd[1], &c, 1);// cnt++;// cout << "write ....: " << cnt << endl;sleep(1);}//關閉寫端//close(pipefd[1]);exit(0);}//父進程要做的事close(pipefd[1]); //關閉寫的通道//從管道中讀取數據char buffer[MAX];while(true){//sleep(2); //睡眠2秒ssize_t n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));if(n > 0){cout << getpid() << "," << "chid say :" << buffer << "to me" << endl;}cout<<"father return value:"<< n << endl;sleep(1);//直接跳出break;}//關閉讀端close(pipefd[0]);sleep(5);int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if (rid == id){cout << "wait success, child exit sig: " << (status&0x7F) << endl;}// //回收子進程// pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);// if(rid == id)// {//    cout<<"wait success"<<endl;// }return 0;
}

我們得到一下它的信號：
在這里插入圖片描述
我們查一下13號信號：
在這里插入圖片描述
13號信號是：SIGPIPE：

SIGPIPE 是在進程向一個已經被關閉的管道（或者其他的類似的通信方式）寫入數據時，內核向該進程發送的信號。這個信號的默認行為是終止進程。
常見的場景是，一個進程向另一個進程通過管道發送數據，但接收數據的進程提前退出，導致寫入數據的進程嘗試往已關閉的管道寫入數據。在這種情況下，內核會發送 SIGPIPE 信號給寫入數據的進程，通知它目標進程已經退出，不再接收數據。

所以我們才有上述現象。

總結一下管道有4種情況：

管道的4種情況

  1. 正常情況，如果管道沒有數據了，讀端必須等待，直到有數據為止(寫端寫入數據了)
  2. 正常情況，如果管道被寫滿了，寫端必須等待，直到有空間為止(讀端讀走數據)
  3. 寫端關閉，讀端一直讀取, 讀端會讀到read返回值為0， 表示讀到文件結尾
  4. 讀端關閉，寫端一直寫入，OS會直接殺掉寫端進程，通過想目標進程發送SIGPIPE(13)信號，終止目標進程

5種特性：

管道的5種特性

  1. 匿名管道,可以允許具有血緣關系的進程之間進行進程間通信，常用與父子,僅限于此
  2. 匿名管道，默認給讀寫端要提供同步機制 — 了解現象就行
  3. 面向字節流的 — 了解現象就行
  4. 管道的生命周期是隨進程的
  5. 管道是單向通信的，半雙工通信的一種特殊情況

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