管道允许在进程之间按先进先出的方式传送数据，管道也能使进程同步执行。管道传统的实现方法是通过文件系统作为存储数据的地方。有两种类型的管道：一种是无名管道，简称为管道；另一种是有名管道，也称为FIFO。进程使用系统调用open来打开有名管道，使用系统调用pipe来建立无名管道。使用无名管道通讯的进程，必须是发出pipe调用的进程及其子进程。使用有名管道通讯的进程没有上述限制。在以后的叙述中，所有无名管道都简称为管道。

　　系统调用pipe是用来建立管道的。该调用的声明格式如下：
　　　　　int pipe(int filedes[2]);

       一个管道拥有两个文件描述符用来通信，它们指向一个管道的索引节点，该调用将这两文件描述符放在参数filedes中返回。现在的许多系统中管道允许数据双向流动，但一般习惯上，文件描述符filedes[0]用来读数据，filedes[1]用来写数据。如果要求程序的可移植性好，就按照习惯的用法来编程。调用成功时，返回值为0；错误时，返回-1，并设置错误代码errno：
　　EMFILE：进程使用了过多的文件描述符。
　　ENFILE：系统文件表满。
　　EFAULT：参数filedes无效。

　　对于写管道：
　　　　写入管道的数据按到达次序排列。如果管道满，则对管道的写被阻塞，直到管道的数据被读操作读取。对于写操作，如果一次write调用写的数据量小于管道容量，则写必须一次完成，即如果管道所剩余的容量不够，write被阻塞直到管道的剩余容量可以一次写完为止。如果write调用写的数据量大于管道容量，则写操作分多次完成。如果用fcntl设置管道写端口为非阻塞方式，则管道满不会阻塞写，而只是对写返回0。
　　
　　对于读管道：
　　　　读操作按数据到达的顺序读取数据。已经被读取的数据在管道内不再存在，这意味着数据在管道中不能重复利用。如果管道为空，且管道的写端口是打开状态，则读操作被阻塞直到有数据写入为止。一次read调用，如果管道中的数据量不够read指定的数量，则按实际的数量读取，并对read返回实际数量值。如果读端口使用fcntl设置了非阻塞方式，则当管道为空时，read调用返回0。

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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 } 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 close(pipe_out[1]); // 关闭写管道 close(pipe_in[0]); // 关闭读管道 }

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 } else { // 父进程 close(fd[1]); // 关闭管道的子进程端 shutdown(fd[0], SHUT_WR); // 通知对端数据发送完毕 close(fd[0]); // 关闭管道 }


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 80int main(){ char line[MAXLINE]; FILE *fp; fp = dpopen("sort"); if (fp == NULL) { perror("dpopen error"); exit(1); } fprintf(fp, "orange\n"); fprintf(fp, "apple\n"); fprintf(fp, "pear\n"); 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：

appleorangepear