Linux 进程及进程之间的通信机制——管道教程

参考： LInux C编程从初学到精通 电子工业出版社

Linux 进程

Linux 进程简介

Linux是一个多用户多任务的操作系统，多用户是指多个用户可以在同一时间使用同一台计算机系统；多用户是指Linux可以同时执行几个任务，它可以在还未执行完一个任务时又执行另一个任务，操作系统管理着多个用户的请求和多个任务。

Linux系统中所有运行的东西都可以称之为一个进程。每个用户任务、每个系统管理，都可以称之为进程，Linux用分时管理方法使所有的任务共同分享系统资源。

归结起来，进程具有以下4个要素：

1. 要有一段程序供该进程运行。
2. 进程专用的系统堆栈空间。
3. 进程控制块（PCB），在Linux中的具体实现是task\_struct结构。
4. 有独立的存储空间。

Linux操作系统包括三种不同类型的进程，每种进程都有自己的特点和属性：

1. 交互进程：由一个shell启动的进程。交互进程既可以在前台运行，也可以在后台运行。
2. 批处理进程：这种进程和终端没有联系，是一个进程序列
3. 监控进程（守护进程）：Linux系统启动时启动的进程，并在后台运行。

进程相关的主要函数

fork() 创建一个子进程，若成功，父进程中返回子进程id，子进程中返回0；若出错则返回-1；

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
pid_t fork(void);

需要注意：

1. fork()系统调用的作用是复制一个进程。当一个进程调用它，完成后就会出现两个几乎一摸一样的进程。
2. fork()函数被调用一次，但是返回两次。在子进程中返回的是0，在父进程中返回的是子进程id。

getpid() 返回进程的进程id

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
pid_t getpid(void);

exec函数族

#include<unistd.h>
int execl(const char*pathname, const char *arg, ...);
int execlp(const char*filename, const char *arg, ...);
int execle(const char*pathname, const char*arg, ..., char *const envp[]);
int execv(const char*pathname, char*const argv[]);
int execvp(const char*filename, char*const argv[]);
int execve(const char*pathname, char*const argv[], char*cons envp[]);

6 个函数若成功则无返回值，若出错返回-1；

需要注意：

1. 函数名中有字母 ‘l’ 的，其参数个数不定，参数由所调用程序的命令行参数列表组成，最后一个NULL表示结束。
2. 函数名中有字母 ‘v’ 的，则是使用一个字符串数组指针argv指向参数列表，这一字符串数组和含有字母 ‘l’ 的函数中的参数列表完全相同，也同样以NULL结束。
3. 函数名中有字母 ‘p’ 的，可以自动在环境变量PATH指定的路径中搜索要执行的程序，因此它的第一个参数为filename，表示可执行程序的文件名。而其他函数则需要用户在参数中指定该程序，所以其第一个参数为pathname。
4. 函数名中含有 ’e’ 的，比其他函数多含有一个参数envp，这是一个字符串数组指针，用于指定环境变量。调用这样的函数（execle和execve)时，可以由用户自行设定子进程的环境变量，存放在参数的envp所指向的字符串数组中。这个字符串数组也必须由NULL结束。其他函数则是接受当前的环境变量。

简单示例：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main(){
    //char *envp[]={"THIS=test",NULL};
    //char *argv[]={"echo","this is a test",NULL};
    //char *argve[]={"env",NULL};
    //execl("/usr/bin/ls","ls","-a",NULL);
    //execlp("echo","echo","this is a test",NULL);    
    //execle("/usr/bin/env","env",NULL,envp);
    //execv("/bin/echo",argv);
    //execvp("echo",argv);
    //execve("/usr/bin/env",argve,envp);
    return 0;
}

普遍情况下，如果一个进程想要执行另一个程序，它可以fork一个新进程，然后调用任何一个exec（使用system函数更简单）。

**exit(int) 终止一个进程 **

#include<stdlib.h>
void exit(int status);

在一个进程调用了exit之后，该进程并非马上就消失掉，而是留下一个僵尸进程的数据结构。

wait和waitpid函数：进程等待的系统调用

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

两函数：若成功则返回进程id，若出错则返回-1；
对于waitpid如果设置了WNOHANG选项，返回0表示没有已退出的子进程可收集。

需要注意：

1. 系统一旦调用了wait，就立即阻塞自己，由wait自动分析是否当前进程中的某个子进程已经退出，如果让它找到了这样一个已经变成僵尸的子进程，wait就会手机这个子进程的信息，并把它彻底销毁后返回，如果没有找到这样一个子进程，wait就会一直阻塞在这里。
2. 从本质上讲waitpid和wait的作用是完全相同的，但waitpid多了两个可由用户控制的参数pid和options，从而为用户变成提供了一种更为灵活的方式。

pid取值及其含义：
options选项:
WNOHANG：即使没有子进程退出，它也会立即返回
WUNTRRACED：极少用到

进程之间的通信

管道

Linux环境下使用pipe函数创建一个匿名管道，其函数原型如下：

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

参数fd[2]是一个长度为2的文件描述符数组，fd[0]是读出端的文件描述符，fd[1]是写入端的文件描述符。

管道的读写
可以使用read和write函数对管道进行读写操作，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的，即管道的读写端智能用于读取数据，管道的写入端则只能用于写入数据。如果试图从管道写端读取数据，或者和向管道读端写入数据都将导致错误发生。

父子进程之间通信：

#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<unistd.h>

int main(){    

    int fd[2];
    char inbuf[256]="this is a test!\n";
    char outbuf[256]={0};
    pid_t pid;
    int len;
    if(pipe(fd)<0){
        printf("create the pipe failed!\n");
        exit(1);
    }
    
    if((pid=fork())<0){
        printf("fork failed!\n");
        exit(1);
    }
    else if(pid>0){
        close(fd[0]);
        write(fd[1],inbuf,16);
        exit(0);
    }
    else{
        close(fd[1]);
        len=read(fd[0],outbuf,256);
        if(len<0){
            printf("read pipe failed\n");
            exit(1);
        }
        printf("%s",outbuf);
    }

    return 0;
}   

兄弟进程之间通信

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>

int main(){
    int fd[2];
    char inbuf[256]="this is a test!\n";
    char outbuf[256]={0};
    int len;
    pid_t pid;

    if(pipe(fd)<0){
        printf("create pipe failed!\n");
        exit(1);
    }
    if((pid=fork())<0){
        printf("fork failed!\n");
        exit(1);
    }
    else if(pid==0){
        close(fd[0]);
        write(fd[1],inbuf,16);
        exit(0);
    }
    if((pid=fork())<0){
        printf("fork failed!\n");
        exit(1);
    }
    else if(pid==0){
        close(fd[1]);
        len=read(fd[0],outbuf,256);
        printf("%s",outbuf);
    }

    close(fd[0]);close(fd[1]);
    return 0;
}