管道与消息队列

System 进程间通信，管道

匿名管道
命名管道
1. 创建命名管道
2. 访问命名管道
  1. 打开FIFO文件
消息队列
1. 在Linux中使用消息队列
2. 使用消息队列进行进程间通信

匿名管道

管道

管道是一个进程连接数据流到另一个进程的通道，它通常是用作把一个进程的输出通过管道连接到另一个进程的输入。
popen函数
有静就有动，有开就有关，与此相同，与popen函数相对应的函数是pclose函数，它们的原型如下：

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#include <stdio.h>  
FILE* popen (const char *command, const char *open_mode);  
int pclose(FILE *stream_to_close);

popen函数允许一个程序将另一个程序作为新进程来启动，并可以传递数据给它或者通过它接收数据。command是要运行的程序名和相应的参数。open_mode只能是”r（只读）”和”w（只写）”的其中之一。注意，popen函数的返回值是一个FILE类型的指针，而Linux把一切都视为文件，也就是说我们可以使用stdio I/O库中的文件处理函数来对其进行操作。

如果open_mode是”r”，主调用程序就可以使用被调用程序的输出，通过函数返回的FILE指针，就可以能过stdio函数（如fread）来读取程序的输出；如果open_mode是”w”，主调用程序就可以向被调用程序发送数据，即通过stdio函数（如fwrite）向被调用程序写数据，而被调用程序就可以在自己的标准输入中读取这些数据。

pclose函数用于关闭由popen创建出的关联文件流。pclose只在popen启动的进程结束后才返回，如果调用pclose时被调用进程仍在运行，pclose调用将等待该进程结束。它返回关闭的文件流所在进程的退出码。

popen的实现方式及优缺点

当请求popen调用运行一个程序时，它首先启动shell，即系统中的sh命令，然后将command字符串作为一个参数传递给它。

这样就带来了一个优点和一个缺点。优点是：在Linux中所有的参数扩展都是由shell来完成的。所以在启动程序（command中的命令程序）之前先启动shell来分析命令字符串，也就可以使各种shell扩展（如通配符）在程序启动之前就全部完成，这样我们就可以通过popen启动非常复杂的shell命令。

pipe调用

如果说popen是一个高级的函数，pipe则是一个底层的调用。与popen函数不同的是，它在两个进程之间传递数据不需要启动一个shell来解释请求命令，同时它还提供对读写数据的更多的控制。

pipe函数的原型如下：

1 2	#include <unistd.h> int pipe(int file_descriptor[2]);

我们可以看到pipe函数的定义非常特别，该函数在数组中墙上两个新的文件描述符后返回0，如果返回返回-1，并设置errno来说明失败原因。

数组中的两个文件描述符以一种特殊的方式连接起来，数据基于先进先出的原则，写到file_descriptor[1]的所有数据都可以从file_descriptor[0]读回来。由于数据基于先进先出的原则，所以读取的数据和写入的数据是一致的。

把管道用作标准输入和标准输出

下面来介绍一种用管道来连接两个进程的更简洁方法，我们可以把文件描述符设置为一个已知值，一般是标准输入0或标准输出1。这样做最大的好处是可以调用标准程序，即那些不需要以文件描述符为参数的程序。
为了完成这个工作，我们还需要两个函数的辅助，它们分别是dup函数或dup2函数，它们的原型如下

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#include <unistd.h>  
int dup(int file_descriptor);  
int dup2(int file_descriptor_one, int file_descriptor_two);

dup调用创建一个新的文件描述符与作为它的参数的那个已有文件描述符指向同一个文件或管道。对于dup函数而言，新的文件描述总是取最小的可用值。而dup2所创建的新文件描述符或者与int file_descriptor_two相同，或者是第一个大于该参数的可用值。所以当我们首先关闭文件描述符0后调用dup，那么新的文件描述符将是数字0.

命名管道

命名管道也被称为FIFO文件，它是一种特殊类型的文件，它在文件系统中以文件名的形式存在，但是它的行为却和之前所讲的没有名字的管道（匿名管道）类似。

创建命名管道

我们可以使用两下函数之一来创建一个命名管道，他们的原型如下：

#include <sys/types.h>  
#include <sys/stat.h>  
int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);  
int mknod(const char *filename, mode_t mode | S_IFIFO, (dev_t)0);

这两个函数都能创建一个FIFO文件，注意是创建一个真实存在于文件系统中的文件，filename指定了文件名，而mode则指定了文件的读写权限。

mknod是比较老的函数，而使用mkfifo函数更加简单和规范，所以建议在可能的情况下，尽量使用mkfifo而不是mknod。

访问命名管道

打开FIFO文件

与打开其他文件一样，FIFO文件也可以使用open调用来打开。注意，mkfifo函数只是创建一个FIFO文件，要使用命名管道还是将其打开。

但是有两点要注意.

就是程序不能以O_RDWR模式打开FIFO文件进行读写操作，而其行为也未明确定义，因为如一个管道以读/写方式打开，进程就会读回自己的输出，同时我们通常使用FIFO只是为了单向的数据传递。
就是传递给open调用的是FIFO的路径名，而不是正常的文件。

打开FIFO文件通常有四种方式:

open(const char *path, O_RDONLY);//1  
open(const char *path, O_RDONLY | O_NONBLOCK);//2  
open(const char *path, O_WRONLY);//3  
open(const char *path, O_WRONLY | O_NONBLOCK);//4

在open函数的调用的第二个参数中，你看到一个陌生的选项O_NONBLOCK，选项O_NONBLOCK表示非阻塞，加上这个选项后，表示open调用是非阻塞的，如果没有这个选项，则表示open调用是阻塞的。

open调用的阻塞是什么一回事呢？很简单，对于以只读方式（O_RDONLY）打开的FIFO文件，如果open调用是阻塞的（即第二个参数为O_RDONLY），除非有一个进程以写方式打开同一个FIFO，否则它不会返回；如果open调用是非阻塞的的（即第二个参数为O_RDONLY | O_NONBLOCK），则即使没有其他进程以写方式打开同一个FIFO文件，open调用将成功并立即返回。

对于以只写方式（O_WRONLY）打开的FIFO文件，如果open调用是阻塞的（即第二个参数为O_WRONLY），open调用将被阻塞，直到有一个进程以只读方式打开同一个FIFO文件为止；如果open调用是非阻塞的（即第二个参数为O_WRONLY | O_NONBLOCK），open总会立即返回，但如果没有其他进程以只读方式打开同一个FIFO文件，open调用将返回-1，并且FIFO也不会被打开。

消息队列

消息队列提供了一种从一个进程向另一个进程发送一个数据块的方法。每个数据块都被认为含有一个类型，接收进程可以独立地接收含有不同类型的数据结构。我们可以通过发送消息来避免命名管道的同步和阻塞问题。但是消息队列与命名管道一样，每个数据块都有一个最大长度的限制。

Linux用宏MSGMAX和MSGMNB来限制一条消息的最大长度和一个队列的最大长度。

在Linux中使用消息队列

Linux提供了一系列消息队列的函数接口来让我们方便地使用它来实现进程间的通信。它的用法与其他两个System V PIC机制，即信号量和共享内存相似。

msgget函数

该函数用来创建和访问一个消息队列。它的原型为：

1	int msgget(key_t, key, int msgflg);

与其他的IPC机制一样，程序必须提供一个键来命名某个特定的消息队列。msgflg是一个权限标志，表示消息队列的访问权限，它与文件的访问权限一样。msgflg可以与IPC_CREAT做或操作，表示当key所命名的消息队列不存在时创建一个消息队列，如果key所命名的消息队列存在时，IPC_CREAT标志会被忽略，而只返回一个标识符。

它返回一个以key命名的消息队列的标识符（非零整数），失败时返回-1.

msgsnd函数

该函数用来把消息添加到消息队列中。它的原型为：

1	int msgsend(int msgid, const void *msg_ptr, size_t msg_sz, int msgflg);

msgid是由msgget函数返回的消息队列标识符。

msg_ptr是一个指向准备发送消息的指针，但是消息的数据结构却有一定的要求，指针msg_ptr所指向的消息结构一定要是以一个长整型成员变量开始的结构体，接收函数将用这个成员来确定消息的类型。所以消息结构要定义成这样：

struct my_message{  
    long int message_type;  
    /* The data you wish to transfer*/  
};

msg_sz是msg_ptr指向的消息的长度，注意是消息的长度，而不是整个结构体的长度，也就是说msg_sz是不包括长整型消息类型成员变量的长度。

msgflg用于控制当前消息队列满或队列消息到达系统范围的限制时将要发生的事情。

如果调用成功，消息数据的一分副本将被放到消息队列中，并返回0，失败时返回-1.

msgrcv函数

该函数用来从一个消息队列获取消息，它的原型为

1	int msgrcv(int msgid, void *msg_ptr, size_t msg_st, long int msgtype, int msgflg);

msgid, msg_ptr, msg_st的作用也函数msgsnd函数的一样。

msgtype可以实现一种简单的接收优先级。如果msgtype为0，就获取队列中的第一个消息。如果它的值大于零，将获取具有相同消息类型的第一个信息。如果它小于零，就获取类型等于或小于msgtype的绝对值的第一个消息。

msgflg用于控制当队列中没有相应类型的消息可以接收时将发生的事情。

调用成功时，该函数返回放到接收缓存区中的字节数，消息被复制到由msg_ptr指向的用户分配的缓存区中，然后删除消息队列中的对应消息。失败时返回-1.

msgctl函数

该函数用来控制消息队列，它与共享内存的shmctl函数相似，它的原型为：

1	int msgctl(int msgid, int command, struct msgid_ds *buf);

command是将要采取的动作，它可以取3个值，
IPC_STAT：把msgid_ds结构中的数据设置为消息队列的当前关联值，即用消息队列的当前关联值覆盖msgid_ds的值。
IPC_SET：如果进程有足够的权限，就把消息列队的当前关联值设置为msgid_ds结构中给出的值
IPC_RMID：删除消息队列

buf是指向msgid_ds结构的指针，它指向消息队列模式和访问权限的结构。msgid_ds结构至少包括以下成员：

struct msgid_ds  
{  
    uid_t shm_perm.uid;  
    uid_t shm_perm.gid;  
    mode_t shm_perm.mode;  
};

成功时返回0，失败时返回-1.

使用消息队列进行进程间通信

消息队列跟命名管道有不少的相同之处，通过与命名管道一样，消息队列进行通信的进程可以是不相关的进程，同时它们都是通过发送和接收的方式来传递数据的。在命名管道中，发送数据用write，接收数据用read，则在消息队列中，发送数据用msgsnd，接收数据用msgrcv。而且它们对每个数据都有一个最大长度的限制。

与命名管道相比，消息队列的优势在于

消息队列也可以独立于发送和接收进程而存在，从而消除了在同步命名管道的打开和关闭时可能产生的困难。

同时通过发送消息还可以避免命名管道的同步和阻塞问题，不需要由进程自己来提供同步方法。

接收程序可以通过消息类型有选择地接收数据，而不是像命名管道中那样，只能默认地接收。

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