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Linux 上实现双向进程间通信管道(转)

原创 Linux操作系统 作者:WebSnap 时间:2019-01-22 13:54:05 0 删除 编辑
Linux 上实现双向进程间通信管道(转)
吴咏炜 (adah@sh163.net

本文阐述了一个使用 socketpair 系统调用在 Linux 上实现双向进程通讯管道的方法,并提供了一个实现。

问题和常见方法
Linux 提供了 popen 和 pclose 函数(1) ,用于创建和关闭管道与另外一个进程进行通信。其接口如下:

 
FILE *popen(const char *command, const char *mode);
int pclose(FILE *stream);


遗憾的是,popen 创建的管道只能是单向的 -- mode 只能是 "r" 或 "w" 而不能是某种组合--用户只能选择要么往里写,要么从中读,而不能同时在一个管道中进行读写。实际应用中,经常会有同时进行读写的要求,比如,我们可能希望把文本数据送往 sort 工具排序后再取回结果。此时 popen 就无法用上了。我们需要寻找其它的解决方案。

有一种解决方案是使用 pipe 函数(2)创建两个单向管道。没有错误检测的代码示意如下:

 
int pipe_in[2], pipe_out[2];
pid_t pid;
pipe(&pipe_in); // 创建父进程中用于读取数据的管道
pipe(&pipe_out); // 创建父进程中用于写入数据的管道
if ( (pid = fork()) == 0) { // 子进程
close(pipe_in[0]); // 关闭父进程的读管道的子进程读端
close(pipe_out[1]); // 关闭父进程的写管道的子进程写端
dup2(pipe_in[1], STDOUT_FILENO); // 复制父进程的读管道到子进程的标准输出
dup2(pipe_out[0], STDIN_FILENO); // 复制父进程的写管道到子进程的标准输入
close(pipe_in[1]); // 关闭已复制的读管道
close(pipe_out[0]); // 关闭已复制的写管道
/* 使用exec执行命令 */
} else { // 父进程
close(pipe_in[1]); // 关闭读管道的写端
close(pipe_out[0]); // 关闭写管道的读端
/* 现在可向pipe_out[1]中写数据,并从pipe_in[0]中读结果 */
close(pipe_out[1]); // 关闭写管道
/* 读取pipe_in[0]中的剩余数据 */
close(pipe_in[0]); // 关闭读管道
/* 使用wait系列函数等待子进程退出并取得退出代码 */
}



当然,这样的代码的可读性(特别是加上错误处理代码之后)比较差,也不容易封装成类似于 popen/pclose 的函数,方便高层代码使用。究其原因,是 pipe 函数返回的一对文件描述符只能从第一个中读、第二个中写(至少对于 Linux 是如此)。为了同时读写,就只能采取这么累赘的两个 pipe 调用、两个文件描述符的形式了。

一个更好的方案
使用pipe就只能如此了。不过,Linux 实现了一个源自 BSD 的 socketpair 调用 (3),可以实现上述在同一个文件描述符中进行读写的功能(该调用目前也是 POSIX 规范的一部分(4) )。该系统调用能创建一对已连接的(UNIX 族)无名 socket。在 Linux 中,完全可以把这一对 socket 当成 pipe 返回的文件描述符一样使用,唯一的区别就是这一对文件描述符中的任何一个都可读和可写。

这似乎可以是一个用来实现进程间通信管道的好方法。不过,要注意的是,为了解决我前面的提出的使用 sort 的应用问题,我们需要关闭子进程的标准输入通知子进程数据已经发送完毕,而后从子进程的标准输出中读取数据直到遇到 EOF。使用两个单向管道的话每个管道可以单独关闭,因而不存在任何问题;而在使用双向管道时,如果不关闭管道就无法通知对端数据已经发送完毕,但关闭了管道又无法从中读取结果数据。——这一问题不解决的话,使用 socketpair 的设想就变得毫无意义。

令人高兴的是,shutdown 调用 (5) 可解决此问题。毕竟 socketpair 产生的文件描述符是一对 socket,socket 上的标准操作都可以使用,其中也包括 shutdown。——利用 shutdown,可以实现一个半关闭操作,通知对端本进程不再发送数据,同时仍可以利用该文件描述符接收来自对端的数据。没有错误检测的代码示意如下:

 
int fd[2];
pid_t pid;
socketpair(AF_UNIX, SOCKET_STREAM, 0, fd); // 创建管道
if ( (pid = fork()) == 0) { // 子进程
close(fd[0]); // 关闭管道的父进程端
dup2(fd[1], STDOUT_FILENO); // 复制管道的子进程端到标准输出
dup2(fd[1], STDIN_FILENO); // 复制管道的子进程端到标准输入
close(fd[1]); // 关闭已复制的读管道
/* 使用exec执行命令 */
} else { // 父进程
close(fd[1]); // 关闭管道的子进程端
/* 现在可在fd[0]中读写数据 */
shutdown(fd[0], SHUT_WR); // 通知对端数据发送完毕
/* 读取剩余数据 */
close(fd[0]); // 关闭管道
/* 使用wait系列函数等待子进程退出并取得退出代码 */
}


很清楚,这比使用两个单向管道的方案要简洁不少。我将在此基础上作进一步的封装和改进。

封装和实现
直接使用上面的方法,无论怎么看,至少也是丑陋和不方便的。程序的维护者想看到的是程序的逻辑,而不是完成一件任务的各种各样的繁琐细节。我们需要一个好的封装。

封装可以使用 C 或者 C++。此处,我按照 UNIX 的传统,提供一个类似于 POSIX 标准中 popen/pclose 函数调用的 C 封装,以保证最大程度的可用性。接口如下:

 
FILE *dpopen(const char *command);
int dpclose(FILE *stream);
int dphalfclose(FILE *stream);


关于接口,以下几点需要注意一下:
- 与 pipe 函数类似,dpopen 返回的是文件结构的指针,而不是文件描述符。这意味着,我们可以直接使用 fprintf 之类的函数,文件缓冲区会缓存写入管道的数据(除非使用 setbuf 函数关闭文件缓冲区),要保证数据确实写入到管道中需要使用 fflush 函数。
- 由于 dpopen 返回的是可读写的管道,所以 popen 的第二个表示读/写的参数不再需要。
- 在双向管道中我们需要通知对端写数据已经结束,此项操作由dphalfclose函数来完成。

具体的实现请直接查看程序源代码,其中有详细的注释和 doxygen 文档注释(6) 。我只略作几点说明:
- 本实现使用了一个链表来记录所有 dpopen 打开的文件指针和子进程 ID 的对应关系,因此,在同时用 dpopen 打开的管道的多的时候,dpclose(需要搜索链表)的速度会稍慢一点。我认为在通常使用过程中这不会产生什么问题。如果在某些特殊情况下这会是一个问题的话,可考虑更改 dpopen 的返回值类型和 dpclose 的传入参数类型(不太方便使用,但实现简单),或者使用哈希表/平衡树来代替目前使用的链表以加速查找(接口不变,但实现较复杂)。
- 当编译时在 gcc 中使用了 "-pthread" 命令行参数时,本实现会启用 POSIX 线程支持,使用互斥量保护对链表的访问。因此本实现可以安全地用于 POSIX 多线程环境之中。
- 与 popen 类似(7) ,dpopen 会在 fork 产生的子进程中关闭以前用 dpopen 打开的管道。
- 如果传给 dpclose 的参数不是以前用 dpopen 返回的非 NULL 值,当前实现除返回 -1 表示错误外,还会把 errno 设为 EBADF。对于 pclose 而言,这种情况在 POSIX 规范中被视为不确定(unspecified)行为 (8)。
- 实现中没有使用任何平台相关特性,以方便移植到其它 POSIX 平台上。

下面的代码展示了一个简单例子,将多行文本送到 sort 中,然后取回结果、显示出来:

 
#include
#include
#include "dpopen.h"

#define MAXLINE 80

int main()
{
char line[MAXLINE];
FILE *fp;
fp = dpopen("sort");
if (fp == NULL) {
perror("dpopen error");
exit(1);
}
fprintf(fp, "orange ");
fprintf(fp, "apple ");
fprintf(fp, "pear ");
if (dphalfclose(fp) < 0) {
perror("dphalfclose error");
exit(1);
}
for (;;) {
if (fgets(line, MAXLINE, fp) == NULL)
break;
fputs(line, stdout);
}
dpclose(fp);
return 0;
}


输出结果为:

 
apple
orange
pear


总结
本文阐述了一个使用 socketpair 系统调用在 Linux 上实现双向进程通讯管道的方法,并提供了一个实现。该实现提供的接口与 POSIX 规范中的 popen/pclose 函数较为接近,因而非常易于使用。该实现没有使用平台相关的特性,因而可以不加修改或只进行少量修改即可移植到支持 socketpair 调用的 POSIX 系统中去。

本文源码下载:dpopen.zip

参考资料
1. 相应的man (3)页。在线查看:http://www.die.net/doc/linux/man/man3/popen.3.html
2. 相应的man (2)页。在线查看:http://www.die.net/doc/linux/man/man2/pipe.2.html
3. 相应的man (2)页。在线查看:http://www.die.net/doc/linux/man/man2/socketpair.2.html
4. POSIX规范:http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/socketpair.html
5. 相应的man (2)页。在线查看:http://www.die.net/doc/linux/man/man2/shutdown.2.html
6. Doxygen主页:http://www.stack.nl/~dimitri/doxygen/
7. POSIX规范:http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/popen.html
8. POSIX规范:http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/pclose.html

关于作者
吴咏炜,目前在 Linux 上从事高性能入侵检测系统的研发。对于开发跨平台、高性能、可重用的 C++ 代码有着浓厚的兴趣。adah@sh163.net 可以跟他联系。

全文出自 : IBM developerWorks 中国

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