Pipes

管道是两个或多个相关或相互关联的过程之间的通信媒介。它可以在一个进程内，也可以在子进程和父进程之间进行通信。通信也可以是多层次的，例如父母，孩子和孙子之间的通信等。通过写入管道的一个过程和管道的其他读取来实现通信。要实现管道系统调用，请创建两个文件，一个用于写入文件，另一个用于从文件中读取。

管道机制可以通过实时场景来查看，例如用管道将水倒入某个容器，比如水桶，还有人用杯子取出它。填充过程只不过是写入管道，读取过程只不过是从管道中取出。这意味着一个输出（水）输入另一个（桶）。

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

该系统调用将创建用于单向通信的管道，即，它创建两个描述符，第一个连接到管道读取而另一个连接以写入管道。

描述符pipedes [0]用于读取，pipedes [1]用于写入。无论写入管道[1]是什么都可以从pipedes [0]中读取。

此调用在成功时返回零，在失败时返回-1。要了解失败的原因，请使用errno variable或perror（）函数进行检查。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

即使文件的基本操作是读写，也必须在执行操作之前打开文件，并在完成所需操作后关闭文件。通常，默认情况下，为每个进程打开3个描述符，分别用于输入（标准输入 - 标准输入），输出（标准输出 - 标准输出）和错误（标准错误 - 标准错误），文件描述符分别为0,1和2。

该系统调用将返回用于读/写/查找（lseek）的进一步文件操作的文件描述符。通常，文件描述符从3开始，并随着打开的文件数增加一个数字。

传递给开放系统调用的参数是路径名（相对路径或绝对路径），提示打开文件的目的（例如，打开读取，O_RDONLY，写入，O_WRONLY，读取和写入，O_RDWR，附加到现有文件） O_APPEND，创建文件，如果不存在，则使用O_CREAT等）以及为用户或所有者/组/其他人提供读/写/执行权限的所需模式。可以用符号来提及模式。

读 - 4，写 - 2和执行 - 1。

例如:Octal值（以0开头），0764表示所有者具有读取，写入和执行权限，组具有读写权限，其他具有读取权限。这也可以表示为S_IRWXU | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH，暗示或操作0700 | 0040 | 0020 | 0004→0764。

成功时，此系统调用将返回新文件描述符id和-1，以防出现错误。可以使用errno variable或perror（）函数识别错误原因。

#include<unistd.h>
int close(int fd)

上面的系统调用已经打开了文件描述符。这意味着文件不再使用，并且任何其他进程都可以重用关联的资源。此系统调用在成功时返回零，在出现错误时返回-1。可以使用errno variable或perror（）函数识别错误原因。

#include<unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)

上面的系统调用是从指定文件中读取文件描述符fd的参数，具有已分配内存的适当缓冲区（静态或动态）和缓冲区的大小。

文件描述符id用于标识相应的文件，该文件在调用open（）或pipe（）系统调用后返回。在从文件读取之前需要打开该文件。它会在调用pipe（）系统调用时自动打开。

此调用将返回成功时读取的字节数（如果遇到文件末尾则为零），如果失败则返回-1。返回字节可以小于请求的字节数，以防万一没有数据或文件关闭。如果发生故障，则设置正确的错误编号。

要了解失败的原因，请使用errno variable或perror（）函数进行检查。

#include<unistd.h>
ssize_t write(int fd, void *buf, size_t count)

上面的系统调用是使用文件描述符fd的参数，具有已分配内存（静态或动态）的适当缓冲区和缓冲区大小来写入指定文件。

文件描述符id用于标识相应的文件，该文件在调用open（）或pipe（）系统调用后返回。

在写入文件之前需要打开该文件。它会在调用pipe（）系统调用时自动打开。

此调用将返回成功时写入的字节数（如果没有写入则为零），如果失败则返回-1。如果发生故障，则设置正确的错误编号。

要了解失败的原因，请使用errno variable或perror（）函数进行检查。

示例程序

以下是一些示例程序。

Example program 1 - 使用管道写入和读取两条消息的程序。

算法 (Algorithm)

Step 1 - 创建管道。

Step 2 - 向管道发送消息。

Step 3 - 从管道中检索消息并将其写入标准输出。

Step 4 - 向管道发送另一条消息。

Step 5 - 从管道中检索消息并将其写入标准输出。

Note - 在发送所有消息后也可以检索消息。

Source Code: simplepipe.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main() {
   int pipefds[2];
   int returnstatus;
   char writemessages[2][20]={"Hi", "Hello"};
   char readmessage[20];
   returnstatus = pipe(pipefds);
   if (returnstatus == -1) {
      printf("Unable to create pipe\n");
      return 1;
   }
   printf("Writing to pipe - Message 1 is %s\n", writemessages[0]);
   write(pipefds[1], writemessages[0], sizeof(writemessages[0]));
   read(pipefds[0], readmessage, sizeof(readmessage));
   printf("Reading from pipe – Message 1 is %s\n", readmessage);
   printf("Writing to pipe - Message 2 is %s\n", writemessages[0]);
   write(pipefds[1], writemessages[1], sizeof(writemessages[0]));
   read(pipefds[0], readmessage, sizeof(readmessage));
   printf("Reading from pipe – Message 2 is %s\n", readmessage);
   return 0;
}

Note - 理想情况下，需要为每个系统调用检查返回状态。为了简化过程，不对所有呼叫进行检查。

执行步骤 (Execution Steps)

编译 (Compilation)

gcc -o simplepipe simplepipe.c

Execution/Output

Writing to pipe - Message 1 is Hi
Reading from pipe – Message 1 is Hi
Writing to pipe - Message 2 is Hi
Reading from pipe – Message 2 is Hell

Example program 2 - 使用父进程和子进程通过管道写入和读取两条消息的程序。

算法 (Algorithm)

Step 1 - 创建管道。

Step 2 - 创建子进程。

Step 3 - 父进程写入管道。

Step 4 - 子进程从管道中检索消息并将其写入标准输出。

Step 5 - 再次重复步骤3和步骤4。

Source Code: pipewithprocesses.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main() {
   int pipefds[2];
   int returnstatus;
   int pid;
   char writemessages[2][20]={"Hi", "Hello"};
   char readmessage[20];
   returnstatus = pipe(pipefds);
   if (returnstatus == -1) {
      printf("Unable to create pipe\n");
      return 1;
   }
   pid = fork();
   // Child process
   if (pid == 0) {
      read(pipefds[0], readmessage, sizeof(readmessage));
      printf("Child Process - Reading from pipe – Message 1 is %s\n", readmessage);
      read(pipefds[0], readmessage, sizeof(readmessage));
      printf("Child Process - Reading from pipe – Message 2 is %s\n", readmessage);
   } else { //Parent process
      printf("Parent Process - Writing to pipe - Message 1 is %s\n", writemessages[0]);
      write(pipefds[1], writemessages[0], sizeof(writemessages[0]));
      printf("Parent Process - Writing to pipe - Message 2 is %s\n", writemessages[1]);
      write(pipefds[1], writemessages[1], sizeof(writemessages[1]));
   }
   return 0;
}

执行步骤 (Execution Steps)

Compilation

gcc pipewithprocesses.c –o pipewithprocesses

Execution

Parent Process - Writing to pipe - Message 1 is Hi
Parent Process - Writing to pipe - Message 2 is Hello
Child Process - Reading from pipe – Message 1 is Hi
Child Process - Reading from pipe – Message 2 is Hello

使用管道进行双向通信

管道通信被视为仅单向通信，即父进程写入和子进程读取，反之亦然，但不是两者。但是，如果父节点和子节点都需要同时写入和读取管道，解决方案是使用管道进行双向通信。需要两根管道来建立双向通信。

以下是实现双向沟通的步骤 -

Step 1 - 创建两个管道。第一个是父母写和孩子读，比如说pipe1。第二个是孩子写和父母读，比如说pipe2。

Step 2 - 创建子进程。

Step 3 - 关闭不需要的结束，因为每次通信只需要一端。

Step 4 - 在父进程中关闭不需要的结尾，读取pipe1的结尾并写入pipe2的结尾。

Step 5 - 关闭子进程中不需要的结尾，写入pipe1的结尾并读取pipe2的结尾。

Step 6 - 根据需要执行通信。

示例程序

Sample program 1 - 使用管道实现双向通信。

算法 (Algorithm)

Step 1 - 为要写入的父进程和要读取的子进程创建pipe1。

Step 2 - 为要写入的子进程和要读取的父进程创建pipe2。

Step 3 - 从父级和子级侧关闭管道的不需要的末端。

Step 4 - 父进程编写消息和子进程以在屏幕上阅读和显示。

Step 5 - 子进程写入消息和父进程以在屏幕上阅读和显示。

Source Code: twowayspipe.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main() {
   int pipefds1[2], pipefds2[2];
   int returnstatus1, returnstatus2;
   int pid;
   char pipe1writemessage[20] = "Hi";
   char pipe2writemessage[20] = "Hello";
   char readmessage[20];
   returnstatus1 = pipe(pipefds1);
   if (returnstatus1 == -1) {
      printf("Unable to create pipe 1 \n");
      return 1;
   }
   returnstatus2 = pipe(pipefds2);
   if (returnstatus2 == -1) {
      printf("Unable to create pipe 2 \n");
      return 1;
   }
   pid = fork();
   if (pid != 0) // Parent process {
      close(pipefds1[0]); // Close the unwanted pipe1 read side
      close(pipefds2[1]); // Close the unwanted pipe2 write side
      printf("In Parent: Writing to pipe 1 – Message is %s\n", pipe1writemessage);
      write(pipefds1[1], pipe1writemessage, sizeof(pipe1writemessage));
      read(pipefds2[0], readmessage, sizeof(readmessage));
      printf("In Parent: Reading from pipe 2 – Message is %s\n", readmessage);
   } else { //child process
      close(pipefds1[1]); // Close the unwanted pipe1 write side
      close(pipefds2[0]); // Close the unwanted pipe2 read side
      read(pipefds1[0], readmessage, sizeof(readmessage));
      printf("In Child: Reading from pipe 1 – Message is %s\n", readmessage);
      printf("In Child: Writing to pipe 2 – Message is %s\n", pipe2writemessage);
      write(pipefds2[1], pipe2writemessage, sizeof(pipe2writemessage));
   }
   return 0;
}

执行步骤 (Execution Steps)

编译 (Compilation)

gcc twowayspipe.c –o twowayspipe

Execution

In Parent: Writing to pipe 1 – Message is Hi
In Child: Reading from pipe 1 – Message is Hi
In Child: Writing to pipe 2 – Message is Hello
In Parent: Reading from pipe 2 – Message is Hello

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