Linux程序間的通訊可以簡稱為IPC（Interprocess Communication），前面說過的 Linux的同步工具也是屬於IPC的一部分，這裡我想說的是通常意義的程序間的實際資料通。

1管道

管道是最早的UNIX IPC，所有的UNIX系統都支援這個IPC通訊機制。我們最常見到使用它的位置就是shell中使用的管道命令。管道IPC有兩個特性：

• 管道僅提供半雙工的資料通訊，即只支援單向的資料流。
• 管道只能在有親緣關係的程序間使用。這是由於管道沒有名字的原因，所以不能跨程序的地址空間進行使用。這裡這句話不是絕對的，因為從技術上可以在程序間傳遞管道的描述符，所以是可以通過管道實現無親緣程序間的通訊的。但儘管如此，管道還是通常用於具有共同祖先的程序間的通訊。

管道的介面定義如下：

#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);
                       //成功返回0，失敗返回-1

pipe函式用來建立一個管道，fd是傳出引數，用於儲存返回的兩個檔案描述符，該檔案描述符用於標識管道的兩端，fd[0]只能由於讀，fd[1]只能用於寫。

那麼如果我們往fd[0]端寫資料會是什麼樣的結果呢?下面是測試程式碼：

#include <iostream>
#include <cstring>

#include <unistd.h>
#include <errno.h>

using namespace std;

int main()
{
    int fd[2];

    if (pipe(fd) < 0)
    {
        cout<<"create pipe failed..."<<endl;
        return -1;
    }

    char *temp = "yuki";

    if (write(fd[0], temp, strlen(temp) + 1) < 0)
    {
        cout<<"write pipe failed:"<<strerror(errno)<<endl;
    }

    return 0;
}
 

 write pipe failed:Bad file descriptor

從這個結果可以看出，核心對於管道的fd[0]描述符開啟的方式是以只讀方式開啟的，那麼同理fd[1]是以只寫方式開啟的，所以管道只能保證單向的資料通訊。

下圖1顯示的是一個程序內的管道的模樣：

圖1單個程序內管道的模樣

從上圖我們可以看到位於核心中的管道，程序通過兩個檔案描述符進行資料的傳輸，當然單個程序內的管道是沒有必要的，上面只是為了更形象的表明管道的工作方式，一般管道的使用方式都是：父程序建立一個管道，然後fork產生一個子程序，由於子程序繼承父程序開啟的檔案描述符，所以父子程序可以通過管道程序通訊。這種使用方式如下圖

圖2父子程序間的管道

如上圖所示，當父程序通過fork建立子程序後，父子程序都擁有對管道操作的檔案描述符，此時父子程序關閉對應的讀寫端，使父子程序間形成單向的管道。關閉哪個端要根據具體的資料流向決定。

1.1父子程序間的單向通訊

上面說了父程序通過fork建立子程序後，父子程序間可以通過管道通訊，資料流的方向根據具體的應用決定。我們都知道在shell中，管道的資料流向都是從父程序流向子程序，即父程序關閉讀端，子程序關閉寫端。如下圖3所示：

圖3 父子程序間的單向管道

上圖的測試程式碼如下：

#include <iostream>

#include <unistd.h>

using namespace std;

int main()
{
    int fd[2];

    if (pipe(fd) < 0)
    {
        cout<<"create pipe failed..."<<endl;
        return -1;
    }

    char buf[256];

    if (fork() == 0)
    {
        close(fd[1]);

        read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        cout<<"receive message from pipe:"<<buf<<endl;

        exit(0);
    }

    close(fd[0]);

    char *temp = "I have liked yuki...";
    write(fd[1], temp, strlen(temp) + 1);

    return 0;
}

程式碼的執行結果如下：

receive message from pipe:I have liked yuki...

其中程式碼流程是，子程序等待父程序通過管道傳送過來的資料，然後輸出接收到的資料，程式碼中的read會阻塞到管道中有資料為止，具體管道的read和write的規則將會在後面介紹。

1.2父子程序間的雙向通訊

由上我們知道，一個管道只能支援親緣程序間的單向通訊即半雙工通訊。如果要想通過管道來支援雙向通訊呢，那這裡就需要建立兩個管道，fd1，fd2；父程序中關閉fd1[0]，fd2[1]，子程序中關閉fd1[1]，fd2[0]。這種通訊模式如下圖所示：

圖 4 父子程序間的雙向通訊

下面是雙向通訊的測試程式碼：

#include <iostream>

#include <unistd.h>

using namespace std;

int main()
{
    int fd1[2], fd2[2];

    if (pipe(fd1) < 0 || pipe(fd2) < 0)
    {
        cout<<"create pipe failed..."<<endl;
        return -1;
    }

    char buf[256];
    char *temp = "I have liked yuki...";

    if (fork() == 0)
    {
        close(fd1[1]);
        close(fd2[0]);

        read(fd1[0], buf, sizeof(buf));
        cout<<"child:receive message from pipe 1:"<<buf<<endl;

        write(fd2[1], temp, strlen(temp) + 1);
        exit(0);
    }

    close(fd1[0]);
    close(fd2[1]);

    write(fd1[1], temp, strlen(temp) + 1);
    read(fd2[0], buf, sizeof(buf));
    cout<<"parent:receive message from pipe 2:"<<buf<<endl;

    return 0;
}

程式碼的執行結果如下：

child:receive message from pipe 1:I have liked yuki...
parent:receive message from pipe 2:I have liked yuki...

其中程式碼的流程是父程序建立了兩個管道，我們可以用fd1，fd2表示，管道fd1負責父程序向子程序傳送資料，fd2負責子程序想父程序傳送資料。程序啟動後，子程序等待父程序通過管道fd1傳送資料，當子程序收到父程序的資料後，輸出訊息，並通過管道fd2回覆父程序，然後子程序退出，父程序收到子程序的響應後，輸出訊息並退出。

前面已經說了對管道的read會阻塞到管道中有資料為止，具體管道的read和write的規則將會在後面介紹。

1.3 popen和pclose函式

作為關於管道的一個例項，就是標準I/O函式庫提供的popen函式，該函式建立一個管道，並fork一個子程序，該子程序根據popen傳入的引數，關閉管道的對應端，然後執行傳入的shell命令，然後等待終止。

呼叫程序和fork的子程序之間形成一個管道。呼叫程序和執行shell命令的子程序之間的管道通訊是通過popen返回的FILE*來間接的實現的，呼叫程序通過標準檔案I/O來寫入或讀取管道。

下面是這兩個函式的宣告。

#include <stdio.h>

FILE *popen(const char *command, const char *type);
                          //成功返回標準檔案I/O指標，失敗返回NULL

int pclose(FILE *stream);
                          //成功返回shell的終止狀態，失敗返回-1

command：該傳入引數是一個shell命令列，這個命令是通過shell處理的。

type：該引數決定呼叫程序對要執行的command的處理，type有如下兩種情況：

• type = “r”，呼叫程序將讀取command執行後的標準輸出，該標準輸出通過返回的FILE*來操作；
• type = “w”，呼叫程序將寫command執行過程中的標準輸入；

pclose函式會關閉由popen建立的標準I/O流，等待其中的命令終止，然後返回shell的執行狀態。

下面是關於popen的測試程式碼：

#include <iostream>
#include <cstdio>

#include <unistd.h>

using namespace std;

int main()
{
    char *cmd = "ls /usr/local/bin ";

    FILE *p = popen(cmd, "r");
    char buf[256];

    while (fgets(buf, 256, p) != NULL)
    {
        cout<<buf;
    }  

    pclose(p);

    return 0;
}

程式的執行結果如下所示：

ccmake
cmake
cpack
CSGMP_CG_Server
CSGMP_Start.sh
ctest
...

程式的執行流程如下：呼叫程序執行popen時，會建立一個管道，然後fork生成一個子程序，子程序執行popen傳入的"ls /usr/local/bin" shell命令，子程序將執行結果通過管道傳遞給呼叫程序，呼叫程序通過標準檔案I/O來讀取管道中的資料,並輸出顯示。