Linux管道PIPE的原理和应用

Linux中进程的通信方式有信号，管道，共享内存，消息队列socket等。其中管道是*nix系统进程间通信的最古老形式，所有*nix都提供这种通信方式。管道是一种半双工的通信机制，也就是说，它只能一端用来读，另外一端用来写；另外，管道只能用来在具有公共祖先的两个进程之间通信。管道通信遵循先进先出的原理，并且数据只能被读取一次，当此段数据被读取后，马上会从数据中消失，这一点很重要。

Linux上，创建管道使用pipe函数，当它执行后，会产生两个文件描述符，分别为读端和写端。单个进程中的管道几乎没有任何作用，通常会先调用pipe，然后调用fork，从而创建从父进程到子进程的IPC通道。

Linux中，我们经常会使用到管道，例如用cat命令查看一个大文件时，一页不能全部显示，我们可以通过cat xxx | more来分页显示，又比如搜索文件里的内容可以用 cat xxx | grep search来进行，这里我们都用到了管道。接下来我会用python编写一段自动分页显示的程序，而不用手动来使用管道。

#!/usr/bin/env python
import os,sys

if not sys.argv[1:]:
    print "No filename input"
    sys.exit(1)
try:
        fp = open(sys.argv[1],"r")
except IOError,msg:
    sys.exit(msg)

pi=os.pipe()
pid=os.fork()

if pid:
    #parent
    os.close(pi[0]) #close read pipe

    #write to pipe
    line=fp.readline()
    while line:
        os.write(pi[1],line)
        line=fp.readline()
    #close write pipe
    os.close(pi[1])

    #wait for chile
    os.waitpid(pid,0)
else:
    os.close(pi[1]) #close write pipe
    #put pipe read to stdin
    os.dup2(pi[0],sys.stdin.fileno())
    os.close(pi[0])
    os.execl("/bin/more","more")

把这段代码存为scat.py，增加执行权限之后，运行 scat.py 文件名，系统就会自动读取文件的内容并分页，与使用 cat 文件名 | more 的效果是一模一样的。在上面的代码中，用到了前几篇博客中说的fork，dup2和exec系列函数。

首先是程序创建了一个管道，系统fork之后，父进程关闭其读端，子进程关闭其写端，接下来父进程读取传递过来的文件名，并把内容通过管道的写入端口写入管道里，然后关闭写入端口，并等待子进程的结束。子进程在关闭写入端口后，把读取端口重定向到进程的标准输入，子进程就能自动接收到管道传递过来的数据，最后用execl函数调用系统的more程序用来处理传递过来的数据，这样，就轻松实现的分页的效果。

pipe是半双工的通信机制，如果进程间要使用全双工的通信，可以创建两条管道来达到全双工的效果。另外，pipe匿名管道只能用来在拥有同一个父进程的进程间通信，*nix提供另外一个fifo（命名管道）可以让任意的进程之间实现通信，会在接下来的博客中来讲。