Unix網絡編程學習筆記_進程間通信IPC之管道通信

一、前言

1、在從事嵌入式軟件的相關工作中，也許會碰到許多編程技巧，比如，進程間的通信就算一種。大家可以用書本上的知識去指導下實踐，反過來也可以用實踐去檢驗書本上知識的正確性（6人還可以更深入地修改、完善參考書上的知識）。當然，筆者只是想整理和鞏固下相關知識，並以項目的實際應用，讓大家好對進程間的通信知識點重要性的定位，都是些基礎知識，大神可以直接略過。在某網絡編程之IPC參考書上，源碼把許多宏和函數的定義都放在某一個文件中，當運行程序時需要依賴某些庫文件；運筆者利用開源的思想，把每個案例所用到宏和函數的定義都提取出來，讓大家最終都能看到標準的系統調用，單獨編譯一個主程序即可運行調試。
2、 首先，介紹下我碰到的實際應用案列。我開發嵌入式設備的需求：看上去有點類似手機的拍照功能，但不同的是運行的是Linux操作系統。首先，ARM的顯存（Frame Buffer 0和Frame Buffer 1）有兩個部分：一個是用來顯示菜單部分的（Qt界面），另一個用來顯示CCD圖像，然後通過ARM 的疊加IP利用Overlay技術（Arm的 硬件模塊，根據手冊直接調用驅動接口即可實現），將兩層進行疊加顯示，大家就可以看到菜單界面的照相機了。
3、 那麼Qt在Linux是一個進程，我的理解即單獨運行的一個main函數，然後另一個進程就是CCD的預覽程序（用到了V4L2顯示架構的標準應用調用、DMA傳輸、線程同步、管道通信等技術）。如果想實現一個拍照工程，那麼就在Qt菜單上進行拍照操作時，然後告知CCD預覽進程並把要拍照的路徑名字傳遞過去，在這裏就用到了FIFO（有名管道），CCD預覽程序就會抓一幀底層的數據，再通過ARM 的JPEG模塊把拿到的一幀數據編碼成圖片。
4、 另外，加入在Qt界面還有其他的大量數據（從其他模塊得到），比如GPS、日期、天氣信息。然後我在拍照時，需要把這些數據添加到CCD照片中（以前聽說只要你上傳你的照片，就能查出你這張照片在何時何地拍出來的，這也沒什麼好驚訝的。照片包括了RGB圖像數據和一些地理、日期的信息字節流數據，不明白的可以去看https://blog.csdn.net/psy6653/article/details/79658144）。這時又要用到進程間的通信，那麼就不是用FIFO了，而是用的共享內存。

二、管道的特性以及開發環境

1、本節主要讓大家瞭解下管道（有名和無名管道），個別函數使用的介紹（fork、watipid ），以及無名管道的演示。後續章節筆者會針對FIFO、鎖和共享內存部分進行分析，我會用結合項目的代碼進行講解，並給大家共享源碼。
無名管道和有名管道（FIFO）在一般的Linux系統中都是半雙工通道，從一邊寫，從另一邊讀取，結構圖如下，

無名管道一般用在有親緣關係的父進程和子進程間（一個main函數中調用fork（）創建子進程）的通信，而FIFO一般用於無親緣關係的進程間（Linux操作系統下運行的兩個main函數程序）的通信，FIFO往往是是用得最多的。

以下是有親緣關係的父、子進程利用管道進行通信的結構圖，用兩根管道把它們連接起來，某著名參考書上管道2的數據流好像畫反了。。。

管道1：父進程寫數據（fd1[1]），子進程讀數據（fd1[0]）：
管道2：父進程讀數據（fd2[0]），子進程寫數據（fd2[1]）：
所以fd1[1]和fd2[0]運行在父進程，fd1[0]和fd2[1]運行在子進程

平臺：X86 PC
系統：LInux 內核3.1.0（Fedora16）
編譯器：X86 gcc
繪圖軟件：Microsoft Office Visio
截圖軟件：FastStone_Capture

三、源碼的分析

以下是管道通信的源代碼
如果想查找某函數的頭文件以及函數功能、參數的詳細說明（標準系統調用），直接在終端用

`man 函數名`

客戶端的源碼程序運行在父進程，從管道1的fd1[1]端寫數據，從管道2的fd2[0]端讀數據，

void client(int readfd, int writefd)
{
        size_t  len;
        ssize_t n;
        char    buff[MAXLINE];

#ifdef RUN_STEP_DEBUG
        printf("[4]從控制檯(stdin)讀入輸入路徑\n");
#endif
		//等待終端輸入文件的絕對路徑
        fgets(buff, MAXLINE, stdin);/*stdin在<stdio.h>頭文件聲明*/
        len = strlen(buff);/* fgets()保證以字符串空(即null，ASCII值爲0)結束*/
        if (buff[len-1] == '\n')
                len--;/* 刪除輸入路徑中的換行符（即‘\n’，ASCII值爲10）*/

#ifdef RUN_STEP_DEBUG
        printf("[7]把路徑寫入進程間管道(fd1[1])\n");
#endif
        write(writefd, buff, len);

#ifdef RUN_STEP_DEBUG
        printf("[8]從進程間管道(fd2[0])讀出內容,並輸出到標準輸出控制檯\n");
#endif
        while ( (n = read(readfd, buff, MAXLINE)) > 0)
                write(STDOUT_FILENO, buff, n);/*STDOUT_FILENO在<unistd.h>頭文件聲明*/
}

客戶端需要用的strlen和open函數，man strlen命令即可查到，查找其他的函數類似，


服務端的源碼程序運行在子進程，從管道1的fd1[0]端讀數據，從管道2的fd2[1]端寫數據，源碼如下，

void server(int readfd, int writefd){
        int             fd;
        ssize_t n;
        char    buff[MAXLINE+1];
#ifdef RUN_STEP_DEBUG
        printf("[6]從進程間管道(fd1[0])讀入輸入路徑\n");
#endif
        if ( (n = read(readfd, buff, MAXLINE)) == 0)
                buff[n] = '\0';/*路徑以null結束 */

        if ( (fd = open(buff, O_RDONLY)) < 0) {
                #ifdef RUN_STEP_DEBUG
                        printf("[9]如果打開輸入路徑失敗，向管道(fd2[1])寫入提示原因告知客戶端\n");
                #endif
                snprintf(buff + n, sizeof(buff) - n, ": can't open, %s\n",strerror(errno));/*errno在<errno.h>頭文件聲明*/
                n = strlen(buff);
                write(writefd, buff, n);

        } else {
                #ifdef RUN_STEP_DEBUG
                        printf("[9]如果打開輸入路徑成功，向管道(fd2[1])寫入整個文件內容\n");
                #endif
                while ( (n = read(fd, buff, MAXLINE)) > 0)
                        write(writefd, buff, n);
                close(fd);
        }
}

子進程服務端需要用的snprintf（）函數需要的頭文件如下，其作用是把數據按照一定的格式放在buff中

main函數的源碼如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

#define MAXLINE (4096)
#define RUN_STEP_DEBUG

void    client(int, int), server(int, int); /*客戶端（主進程）和服務端（子進程）函數聲明*/

int main(int argc, char **argv){
        int             fd1[2], fd2[2];
        pid_t   pid;/*pid_t類型在<sys/types.h>頭文件聲明*/

#ifdef RUN_STEP_DEBUG
        printf("[1]創建2個管道\n");
#endif
        pipe(fd1);
        pipe(fd2);

#ifdef RUN_STEP_DEBUG
        printf("[2]創建一個子進程\n");
#endif
        pid = fork();
        if (pid < 0){
                printf("error in fork!");

        }else if ( pid == 0) {
                close(fd1[1]);
                close(fd2[0]);
                #ifdef RUN_STEP_DEBUG
                        printf("[5]子進程執行服務端函數\n");
                #endif
                server(fd1[0], fd2[1]);
                exit(0);
        }else{
                close(fd1[0]);
                close(fd2[1]);

#ifdef RUN_STEP_DEBUG
                printf("[3]執行客戶端函數\n");
#endif
                client(fd2[0], fd1[1]);

                waitpid(pid, NULL, 0);/* 等待子進程結束 */
                exit(0);
        }
}

以下是pipe、fork、waitpid函數需要的頭文件信息。


其中fork函數的使用方法，
1）在父進程中，fork返回新創建子進程的進程ID；
2）在子進程中，fork返回0；
3）如果出現錯誤，fork返回一個負值；

waitpid函數在次是阻塞當前進程，直到子進程結束，接收子進程的結束狀態值。根據某參考書上，在此解釋下waitpid函數的作用，在子進程調用exit（0）終止後（fork的子進程），但父進程仍然在運行，內核會馬上給父進程產生一個SIGCHLD信號，而父進程並沒有捕捉該信號（默認是被忽略的），此時已終止的子進程稱爲殭屍進程。當父進程的client函數從管道讀入最終數據返回，再調用waitpid函數獲取該殭屍進程的狀態。如果父進程沒有調用該函數，那麼子進程將託孤給init進程（操作系統的守護進程，一直都在運行）的孤兒進程，內核將向init進程發送另外一個SIGCHLD信號，讓守護進程取得該終止子進程的終止狀態。

makefile

OBJS=mainpipe.o
%.o:%.c
        gcc -c $< -o $@
all:$(OBJS)
        gcc $(OBJS) -o mainpipe
clean:
        rm *.o mainpipe

四、程序的編譯測試

運行失敗的結果

運行權限的問題

修改文件夾wwww無讀、寫、執行權限；

下圖是程序正常運行的結果：

免費分享演示代碼鏈接: https://pan.baidu.com/s/1JmuZGE0MFxC_aCFEHbuWHA 提取碼: dsje