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标题: Linux 上实现双向进程间通信管道 [打印本页]
作者: look_w    时间: 2018-5-7 20:58     标题: Linux 上实现双向进程间通信管道

Linux 提供了 popen 和 pclose 函数 ，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：      
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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 创建两个单向管道。没有错误检测的代码示意如下：      
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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 ，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 ）。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 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：      
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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：
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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：
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 。我只略作几点说明：      
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：
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#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\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：
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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。



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