面试题：进程管理之管道机制中等难度问题

Question

在基于管道机制的进程通信中，父进程创建管道后fork出子进程，假设子进程向管道写入数据，父进程从管道读取数据，简述这个过程中管道文件描述符的使用和可能出现的错误情况及处理方法。

Answer 1

管道文件描述符的使用

1. 创建管道：父进程调用 pipe(int pipefd[2]) 函数创建管道，pipefd[0] 用于从管道读数据，pipefd[1] 用于向管道写数据。
2. fork子进程：父进程调用 fork() 创建子进程，子进程会继承父进程的文件描述符，即子进程也拥有 pipefd[0] 和 pipefd[1]。
3. 关闭不需要的描述符：
   • 对于子进程，它向管道写数据，所以关闭 pipefd[0]（读端），只保留 pipefd[1]（写端）。
   • 对于父进程，它从管道读数据，所以关闭 pipefd[1]（写端），只保留 pipefd[0]（读端）。
4. 子进程写数据：子进程通过 write(pipefd[1], buffer, size) 函数将数据写入管道，其中 buffer 是要写入的数据缓冲区，size 是数据大小。
5. 父进程读数据：父进程通过 read(pipefd[0], buffer, size) 函数从管道读取数据，将数据读入 buffer 缓冲区，size 是期望读取的数据大小。

可能出现的错误情况及处理方法

1. 管道创建失败：
   • 错误：pipe 函数返回 -1，errno 会被设置为相应的错误码（如 EMFILE，表示进程已达到打开文件描述符的最大数；ENFILE，表示系统已达到打开文件的最大数）。
   • 处理方法：检查错误码，根据具体错误采取相应措施，如减少打开的文件描述符数量（EMFILE 情况），或联系系统管理员调整系统参数（ENFILE 情况），然后可以选择重试 pipe 操作或向用户报告错误。
2. fork失败：
   • 错误：fork 函数返回 -1，errno 会被设置为相应的错误码（如 EAGAIN，表示系统暂时无足够资源创建新进程；ENOMEM，表示内存不足）。
   • 处理方法：检查错误码，根据具体错误处理，如释放一些内存资源（ENOMEM 情况），或者等待一段时间后重试 fork 操作（EAGAIN 情况），并向用户报告错误。
3. 写操作错误：
   • 错误：write 函数返回 -1，errno 可能被设置为 EPIPE（表示管道的读端已关闭，继续写会产生此错误）。
   • 处理方法：当遇到 EPIPE 错误时，子进程应关闭写端文件描述符并处理相关错误，如向用户报告管道读端已关闭导致无法写数据的情况。
4. 读操作错误：
   • 错误：read 函数返回 -1，errno 可能被设置为 EBADF（表示文件描述符无效）。
   • 处理方法：检查文件描述符是否正确关闭或被错误使用，修复文件描述符相关的问题，然后重试读操作或向用户报告错误。另外，当管道中无数据可读且管道写端已关闭时，read 会返回 0，表示读到了文件末尾。此时父进程可根据业务逻辑决定是否继续等待数据或结束处理。