級別: 中級
吳詠煒 （
adah@sh163.***）
本文闡述了乙個使用 socketpair 系統呼叫在 linux 上實現雙向程序通訊管道的方法，並提供了乙個實現。
問題和常見方法
linux 提供了 popen 和 pclose 函式(1) ，用於建立和關閉管道與另外乙個程序進行通訊。其介面如下：
file *popen(const char ****mand， const char *mode);
int pclose(file *stream);
遺憾的是，popen 建立的管道只能是單向的 -- mode 只能是 "r" 或 "w" 而不能是某種組合--使用者只能選擇要麼往裡寫，要麼從中讀，而不能同時在乙個管道中進行讀寫。實際應用中，經常會有同時進行讀寫的要求，比如，我們可能希望把文字資料送往 sort 工具排序後再取回結果。此時 popen 就無法用上了。我們需要尋找其它的解決方案。
有一種解決方案是使用 pipe 函式(2)建立兩個單向管道。沒有錯誤檢測的**示意如下：
int pipe_in[2], pipe_out[2];
pid_t pid;
pipe(&pipe_in); // 建立父程序中用於讀取資料的管道
pipe(&pipe_out); // 建立父程序中用於寫入資料的管道
if ( (pid = fork()) == 0) else
當然，這樣的**的可讀性（特別是加上錯誤處理**之後）比較差，也不容易封裝成類似於 popen/pclose 的函式，方便高層**使用。究其原因，是 pipe 函式返回的一對檔案描述符只能從第乙個中讀、第二個中寫（至少對於 linux 是如此）。為了同時讀寫，就只能採取這麼累贅的兩個 pipe 呼叫、兩個檔案描述符的形式了。
乙個更好的方案
使用pipe就只能如此了。不過，linux 實現了乙個源自 bsd 的 socketpair 呼叫 (3)，可以實現上述在同乙個檔案描述符中進行讀寫的功能（該呼叫目前也是 posix 規範的一部分(4) ）。該系統呼叫能建立一對已連線的（unix 族）無名 socket。在 linux 中，完全可以把這一對 socket 當成 pipe 返回的檔案描述符一樣使用，唯一的區別就是這一對檔案描述符中的任何乙個都可讀和可寫。
這似乎可以是乙個用來實現程序間通訊管道的好方法。不過，要注意的是，為了解決我前面的提出的使用 sort 的應用問題，我們需要關閉子程序的標準輸入通知子程序資料已經傳送完畢，而後從子程序的標準輸出中讀取資料直到遇到 eof。使用兩個單向管道的話每個管道可以單獨關閉，因而不存在任何問題；而在使用雙向管道時，如果不關閉管道就無法通知對端資料已經傳送完畢，但關閉了管道又無法從中讀取結果資料。——這一問題不解決的話，使用 socketpair 的設想就變得毫無意義。
令人高興的是，shutdown 呼叫 (5) 可解決此問題。畢竟 socketpair 產生的檔案描述符是一對 socket，socket 上的標準操作都可以使用，其中也包括 shutdown。——利用 shutdown，可以實現乙個半關閉操作，通知對端本程序不再傳送資料，同時仍可以利用該檔案描述符接收來自對端的資料。沒有錯誤檢測的**示意如下：
int fd[2];
pid_t pid;
socketpair(af_unix, socket_stream, 0, fd); // 建立管道
if ( (pid = fork()) == 0) else
很清楚，這比使用兩個單向管道的方案要簡潔不少。我將在此基礎上作進一步的封裝和改進。
封裝和實現
直接使用上面的方法，無論怎麼看，至少也是醜陋和不方便的。程式的維護者想看到的是程式的邏輯，而不是完成一件任務的各種各樣的繁瑣細節。我們需要乙個好的封裝。
封裝可以使用 c 或者 c++。此處，我按照 unix 的傳統，提供乙個類似於 posix 標準中 popen/pclose 函式呼叫的 c 封裝，以保證最大程度的可用性。介面如下：
file *dpopen(const char ****mand);
int dpclose(file *stream);
int dphalfclose(file *stream);
關於介面，以下幾點需要注意一下：
- 與 pipe 函式類似，dpopen 返回的是檔案結構的指標，而不是檔案描述符。這意味著，我們可以直接使用 fprintf 之類的函式，檔案緩衝區會快取寫入管道的資料（除非使用 setbuf 函式關閉檔案緩衝區），要保證資料確實寫入到管道中需要使用 fflush 函式。
- 由於 dpopen 返回的是可讀寫的管道，所以 popen 的第二個表示讀/寫的引數不再需要。
- 在雙向管道中我們需要通知對端寫資料已經結束，此項操作由dphalfclose函式來完成。
具體的實現請直接檢視程式源**，其中有詳細的注釋和 doxygen 文件注釋(6) 。我只略作幾點說明：
- 本實現使用了乙個鍊錶來記錄所有 dpopen 開啟的檔案指標和子程序 id 的對應關係，因此，在同時用 dpopen 開啟的管道的多的時候，dpclose（需要搜尋鍊錶）的速度會稍慢一點。我認為在通常使用過程中這不會產生什麼問題。如果在某些特殊情況下這會是乙個問題的話，可考慮更改 dpopen 的返回值型別和 dpclose 的傳入引數型別（不太方便使用，但實現簡單），或者使用雜湊表/平衡樹來代替目前使用的鍊錶以加速查詢（介面不變，但實現較複雜）。
- 當編譯時在 gcc 中使用了 "-pthread" 命令列引數時，本實現會啟用 posix 執行緒支援，使用互斥量保護對鍊錶的訪問。因此本實現可以安全地用於 posix 多執行緒環境之中。
- 與 popen 類似(7) ，dpopen 會在 fork 產生的子程序中關閉以前用 dpopen 開啟的管道。
- 如果傳給 dpclose 的引數不是以前用 dpopen 返回的非 null 值，當前實現除返回 -1 表示錯誤外，還會把 errno 設為 ebadf。對於 pclose 而言，這種情況在 posix 規範中被視為不確定（unspecified）行為 (8)。
- 實現中沒有使用任何平台相關特性，以方便移植到其它 posix 平台上。
下面的**展示了乙個簡單例子，將多行文字送到 sort 中，然後取回結果、顯示出來：
輸出結果為：
總結
本文闡述了乙個使用 socketpair 系統呼叫在 linux 上實現雙向程序通訊管道的方法，並提供了乙個實現。該實現提供的介面與 posix 規範中的 popen/pclose 函式較為接近，因而非常易於使用。該實現沒有使用平台相關的特性，因而可以不加修改或只進行少量修改即可移植到支援 socketpair 呼叫的 posix 系統中去。
dpopen.zip
參考資料http://.die.***/doc/linux/man/man3/popen.3.html
4. posix規範：
6. doxygen主頁：
7. posix規範：
8. posix規範：
關於作者
吳詠煒，目前在 linux 上從事高效能入侵檢測系統的研發。對於開發跨平台、高效能、可重用的 c++ **有著濃厚的興趣。
adah@sh163.*** 可以跟他聯絡。
全文出自 :
ibm developerworks 中國
Linux 上實現雙向程序間通訊管道
簡介 本文闡述了乙個使用 socketpair 系統呼叫在 linux 上實現雙向程序通訊管道的方法，並提供了乙個實現。問題和常見方法 linux 提供了 popen 和 pclose 函式 1 用於建立和關閉管道與另外乙個程序進行通訊。其介面如下 file popen const char com...
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