管道和FIFO 二

前面我们学习了一下进程，我们知道多，进程间的地址空间相对独立。进程与进程间不能像线程间通过全局变量通信。 如果想进程间通信，就需要其他机制。

    

    常用的进程间通信方式有这几种

 

A.传统的进程间通信方式

匿名管道(pipe)、有名管道(fifo)和信号(signal)

 

B.System v IPC对象

共享内存(share memory)、消息队列(message queue)和信号量(semaphore)

 

C.BSD

套接字(socket)

 

一、匿名管道(pipe)

 

1.1管道的介绍

 

A.管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道

 

B.只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程);

 

C.单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。

 

D.数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

1.2管道的创建

解释如下 :

从以上我们可以知道:

 

管道是基于文件描述符的通信方式。当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符fd[0]和fd[1]。其中fd[0]固定用于读管道，而fd[1]固定用于写管道,一般文件I/O的函数都可以用来操作管道(lseek除外)。

我们来测试一下管道的大小:

 

案例一、

单独创建一个匿名管道，并没有实际的意义。我们一般是在一个进程在由pipe()创建管道后，一般再由fork一个子进程，然后通过管道实现父子进程间的通信(因此也不难推出，只要两个进程中存在亲缘关系,这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式来进行通信）。

 

1.3匿名管道的读写规则探究

 

A.从管道中读取数据

 

<1>写端不存在时,此时则认为已经读到了数据的末尾，读函数返回的读出字节数为0；

1. #include <stdio.h>
2. #include <unistd.h>
3. #include <stdlib.h>
4. int main()
5. {
6. int n;
7. int fd[2];
8. int count = 0;
9. char buf[100] = {0};
10. if(pipe(fd) < 0)
11. {
12. perror("Fail to create pipe");
13. exit(EXIT_FAILURE);
14. }
15. close(fd[1]);
16. if((n = read(fd[0],buf,sizeof(buf))) < 0)
17. {
18. perror("Fail to read pipe");
19. exit(EXIT_FAILURE);
20. }
21. printf("Rread %d bytes : %s.\n",n,buf);
22. return 0;
23. }

运行结果:

<2>写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF(ubuntu操作系统为65536)，则返回管道中现有的数据字节数，如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF，则放回管道中现有数据字节数（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数(此时，管道中数据量不小于请求的数据量)

 

案例二、父进程向管道中写数据，子进程从管道中读取数据

点击(此处)折叠或打开

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <errno.h>
4. #include <string.h>
5. #define N 10
6. #define MAX 100
7. int child_read_pipe(int fd)
8. {
9. char buf[N];
10. int n = 0;
11. while(1)
12. {
13. n = read(fd,buf,sizeof(buf));
14. buf[n] = '\0';
15. printf("Read %d bytes : %s.\n",n,buf);
16. if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
17. break;
18. }
19. return 0;
20. }
21. int father_write_pipe(int fd)
22. {
23. char buf[MAX] = {0};
24. while(1)
25. {
26. printf(">");
27. fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
28. buf[strlen(buf)-1] = '\0';
29. write(fd,buf,strlen(buf));
30. usleep(500);
31. if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
32. break;
33. }
34. return 0;
35. }
36. int main()
37. {
38. int pid;
39. int fd[2];
40. if(pipe(fd) < 0)
41. {
42. perror("Fail to pipe");
43. exit(EXIT_FAILURE);
44. }
45. if((pid = fork()) < 0)
46. {
47. perror("Fail to fork");
48. exit(EXIT_FAILURE);
49. }else if(pid == 0){
50. close(fd[1]);
51. child_read_pipe(fd[0]);
52. }else{
53. close(fd[0]);
54. father_write_pipe(fd[1]);
55. }
56. exit(EXIT_SUCCESS);
57. }

运行结果:

从以上验证我们可以看到：

<1>当写端存在时，管道中没有数据时，读取管道时将阻塞

<2>当读端请求读取的数据大于管道中的数据时，此时读取管道中实际大小的数据

<3>当读端请求读取的数据小于管道中的数据时，此时放回请求读取的大小数据

 

B.向管道中写入数据:

 

向管道中写入数据时，linux将不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。当管道满时，读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。

 

注意：只有管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIGPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略(默认动作则是使应用程序终止)。

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <errno.h>
4. #include <string.h>
5. int main()
6. {
7. int pid;
8. int n;
9. int fd[2];
10. char buf[1000 * 6] = {0};
11. if(pipe(fd) < 0)
12. {
13. perror("Fail to pipe");
14. exit(EXIT_FAILURE);
15. }
16. if((pid = fork()) < 0)
17. {
18. perror("Fail to fork");
19. exit(EXIT_FAILURE);
20. }else if(pid == 0){
21. close(fd[1]);
22. sleep(5);
23. close(fd[0]);
24. printf("Read port close.\n");
25. sleep(3);
26. }else{
27. close(fd[0]);
28. while(1)
29. {
30. n = write(fd[1],buf,sizeof(buf));
31. printf("Write %d bytes to pipe.\n",n);
32. }
33. }
34. exit(EXIT_SUCCESS);
35. }

运行结果:

探究发现，当管道数据满时，此时再向管道写数据，写端将阻塞。当读端不存在时，写端写数据，内核将向其发送SIGPIPE信号，默认是终止进程。

 

案例3：父进程读取文件的内容，写到匿名管道，子进程从管道中读取内容写到另一个文件。

//思考：父进程什么时候结束，子进程什么时候结束?

点击(此处)折叠或打开

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <errno.h>
5. #include <sys/stat.h>
6. #include <sys/types.h>
7. #include <fcntl.h>
8. #define MAX 100
9. int child_work(int pfd,char *fname)
10. {
11. int n,fd;
12. char buf[MAX];
13. if((fd = open(fname,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666)) < 0)
14. {
15. fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",fname,strerror(errno));
16. return -1;
17. }
18. while( n = read(pfd,buf,sizeof(buf)) )
19. {
20. write(fd,buf,n);
21. }
22. close(pfd);
23. return 0;
24. }
25. int father_work(int pfd,char *fname)
26. {
27. int fd,n;
28. char buf[MAX];
29. if((fd = open(fname,O_RDONLY)) < 0)
30. {
31. fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",fname,strerror(errno));
32. return -1;
33. }
34. while(n = read(fd,buf,sizeof(buf)))
35. {
36. write(pfd,buf,n);
37. }
38. close(pfd);
39. return 0;
40. }
41. int main(int argc,char *argv[])
42. {
43. int pid;
44. int fd[2];
45. if(argc < 3)
46. {
47. fprintf(stderr,"usage %s argv[1] argv[2].\n",argv[0]);
48. exit(EXIT_FAILURE);
49. }
50. if(pipe(fd) < 0)
51. {
52. perror("Fail to pipe");
53. exit(EXIT_FAILURE);
54. }
55. if((pid = fork()) < 0)
56. {
57. perror("Fail to fork");
58. exit(EXIT_FAILURE);
59. }else if(pid == 0){
60. close(fd[1]);
61. child_work(fd[0],argv[2]);
62. }else{
63. close(fd[0]);
64. father_work(fd[1],argv[1]);
65. wait(NULL);
66. }
67. exit(EXIT_SUCCESS);
68. }

二、有名管道

 

1.1有名管道的介绍

 

匿名管道，由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信.。为了克服这个缺点，提出了有名管道(FIFO)。

 

FIFO不同于匿名管道之处在于它提供了一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中，这样，即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信，因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值的注意的是，FIFO严格遵循先进先出(first in first out),对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。

 

注意：有名管道的名字存在于文件系统中，内容存放在内存中。

 

1.2有名管道的创建

该函数的第一个参数是一个普通的路劲名，也就是创建后FIFO的名字。第二个参数与打开普通文件的open()函数中的mode参数相同。如果mkfifo的一个参数是一个已经存在路劲名时，会返回EEXIST错误，所以一般典型的调用代码首先会检查是否返回该错误，如果确实返回该错误，那么只要调用打开FIFO的函数就可以了。

 

1.3有名管道的打开规则

 

有名管道比匿名管道多了一个打开操作：open

 

FIFO的打开规则:

 

如果当前打开操作时为读而打开FIFO时，若已经有相应进程为写而打开该FIFO，则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞到有相应进程为写而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志)；或者，成功返回(当前打开操作没有设置阻塞标志)。

 

如果当前打开操作时为写而打开FIFO时，如果已经有相应进程为读而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志)；或者，返回ENIO错误(当期打开操作没有设置阻塞标志)。

 

 

案例:

 

A.open for  write

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1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <errno.h>
5. #include <sys/types.h>
6. #include <sys/stat.h>
7. #include <fcntl.h>
8. int main(int argc,char *argv[])
9. {
10. int fd;
11. if(argc < 2)
12. {
13. fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]);
14. exit(EXIT_FAILURE);
15. }
16. if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
17. {
18. fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
19. exit(EXIT_FAILURE);
20. }
21. if((fd = open(argv[1],O_WRONLY)) < 0)
22. {
23. fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
24. exit(EXIT_FAILURE);
25. }
26. printf("open for write success.\n");
27. return 0;
28. }

B.open for read

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1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <errno.h>
5. #include <sys/types.h>
6. #include <sys/stat.h>
7. #include <fcntl.h>
8. int main(int argc,char *argv[])
9. {
10. int fd;
11. if(argc < 2)
12. {
13. fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]);
14. exit(EXIT_FAILURE);
15. }
16. if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
17. {
18. fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
19. exit(EXIT_FAILURE);
20. }
21. if((fd = open(argv[1],O_RDONLY)) < 0)
22. {
23. fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
24. exit(EXIT_FAILURE);
25. }
26. printf("open for read success.\n");
27. return 0;
28. }

探究发现，如果open时没有使用O_NONBLOCK参数，我们发现不论读端还是写端先打开，先打开者都会阻塞，一直阻塞到另一端打开。

 

读者自己可以探究，如果open时使用了O_NONBLOCK参数，此时打开FIFO 又会是什么情况?

 

1.4有名管道的读写规则

 

A.从FIFO中读取数据

 

约定：如果一个进程为了从FIFO中读取数据而以阻塞的方式打开FIFO， 则称内核为该进程的读操作设置了阻塞标志

 

<1>如果有进程为写而打开FIFO，且当前FIFO内没有数据，则对于设置了阻塞标志的读操作来说，将一直阻塞。对于没有设置阻塞标志读操作来说返回-1,当前errno值为EAGAIN,提醒以后再试。

 

<2>对于设置阻塞标志的读操作说，造成阻塞的原因有两种:当前FIFO内有数据，但有其他进程正在读这些数据；另外就是FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入,不论写入数据量的大小，也不论读操作请求多少数据量。

 

<3>如果没有进程写打开FIFO,则设置了阻塞标志的读操作会阻塞

 

<4>如果写端关闭，管道中有数据读取管道中的数据，如果管道中没有数据读端将不会继续阻塞，此时返回0。

 

注意：如果FIFO中有数据，则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞，此时，读操作会返回FIFO中现有的数据量。

 

B.向FIFO中写入数据

 

约定：如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的写操作设置了阻塞标志。

 

对于设置了阻塞标志的写操作:

 

<1>当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。如果此时管道空闲缓冲区不足以容纳要写入的字节数，则进入睡眠，直到当缓冲区中能够容纳写入的字节数时，才开始进行一次性写操作。

 

<2>当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，Linux将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据，写操作在写完所有请求写的数据后返回。

 

对于没有设置阻塞标志的写操作:

 

<1>当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。在写满所有FIFO空闲缓冲区后，写操作返回。

 

<2>当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数，写完后成功返回；如果当前FIFO空闲缓冲区不能够容纳请求写入的字节数，则返回EAGAIN错误，提醒以后再写。

 

注意：只有读端存在，写端才有意义。如果读端不在，写端向FIFO写数据，内核将向对应的进程发送SIGPIPE信号（默认终止进程）；

 

案例一、

 

write to FIFO

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <errno.h>
5. #include <sys/types.h>
6. #include <sys/stat.h>
7. #include <fcntl.h>
8. #define MAX 655360
9. int main(int argc,char *argv[])
10. {
11. int n,fd;
12. char buf[MAX];
13. if(argc < 2)
14. {
15. fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]);
16. exit(EXIT_FAILURE);
17. }
18. if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
19. {
20. fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
21. exit(EXIT_FAILURE);
22. }
23. if((fd = open(argv[1],O_WRONLY )) < 0)
24. {
25. fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
26. exit(EXIT_FAILURE);
27. }
28. printf("open for write success.\n");
29. while(1)
30. {
31. printf(">");
32. scanf("%d",&n);
33. n = write(fd,buf,n);
34. printf("write %d bytes.\n",n);
35. }
36. exit(EXIT_SUCCESS);
37. }

read from FIFO

点击(此处)折叠或打开

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <errno.h>
5. #include <sys/types.h>
6. #include <sys/stat.h>
7. #include <fcntl.h>
8. #define MAX 655360
9. int main(int argc,char *argv[])
10. {
11. int fd,n;
12. char buf[MAX];
13. if(argc < 2)
14. {
15. fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]);
16. exit(EXIT_FAILURE);
17. }
18. if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
19. {
20. fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
21. exit(EXIT_FAILURE);
22. }
23. if((fd = open(argv[1],O_RDONLY )) < 0)
24. {
25. fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno));
26. exit(EXIT_FAILURE);
27. }
28. printf("open for read success.\n");
29. while(1)
30. {
31. printf(">");
32. scanf("%d",&n);
33. n = read(fd,buf,n);
34. printf("Read %d bytes.\n",n);
35. }
36. exit(EXIT_SUCCESS);
37. }

读者可以将这两个程序运行，然后输入read和write   FIFO大小就可以看到效果。