Linux系统编程（11）——进程间通信之有名管道

管道应用的一个重大限制是它没有名字，因此，只能用于具有亲缘关系的进程间通信，在有名管道（named pipe或FIFO）提出后，该限制得到了克服。FIFO不同于管道之处在于它提供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（能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间），因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值得注意的是，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。

有名管道的创建

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char * pathname, mode_tmode)

该函数的第一个参数是一个普通的路径名，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的第一个参数是一个已经存在的路径名时，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。一般文件的I/O函数都可以用于FIFO，如close、read、write等等。

有名管道的打开规则

有名管道比管道多了一个打开操作：open。

FIFO的打开规则：

如果当前打开操作是为读而打开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，可能阻塞直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）。

如果当前打开操作是为写而打开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ENXIO错误（当前打开操作没有设置阻塞标志）。

对打开规则的验证参见附2。

有名管道的读写规则

从FIFO中读取数据：

约定：如果一个进程为了从FIFO中读取数据而阻塞打开FIFO，那么称该进程内的读操作为设置了阻塞标志的读操作。

如果有进程写打开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则返回-1，当前errno值为EAGAIN，提醒以后再试。

对于设置了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，但有其它进程在读这些数据；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，不论信写入数据量的大小，也不论读操作请求多少数据量。

读打开的阻塞标志只对本进程第一个读操作施加作用，如果本进程内有多个读操作序列，则在第一个读操作被唤醒并完成读操作后，其它将要执行的读操作将不再阻塞，即使在执行读操作时，FIFO中没有数据也一样（此时，读操作返回0）。

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。

注：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。

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为设置了阻塞标志的写操作。

对于设置了阻塞标志的写操作：

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要写入的字节数时，才开始进行一次性写操作。

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：

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。

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；

对FIFO读写规则的验证：

下面的两个程序说明了对FIFO的读写规则。

写FIFO的程序：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#define FIFO_SERVER"/tmp/fifoserver"
main(int argc,char** argv)
//参数为即将写入的字节数
{
         intfd;
         charw_buf[4096*2];
         intreal_wnum;
         memset(w_buf,0,4096*2);
         if((mkfifo(FIFO_SERVER,O_CREAT|O_EXCL)<0)&&(errno!=EEXIST))
                   printf("cannotcreate fifoserver\n");
         if(fd==-1)
                   if(errno==ENXIO)
                            printf("openerror; no reading process\n");

            fd=open(FIFO_SERVER,O_WRONLY|O_NONBLOCK,0);
         //设置非阻塞标志
         //fd=open(FIFO_SERVER,O_WRONLY,0);
         //设置阻塞标志
         real_wnum=write(fd,w_buf,2048);
         if(real_wnum==-1)
         {
                   if(errno==EAGAIN)
                            printf("writeto fifo error; try later\n");
         }
         else
                   printf("realwrite num is %d\n",real_wnum);
         real_wnum=write(fd,w_buf,5000);
         //5000用于测试写入字节大于4096时的非原子性
         //real_wnum=write(fd,w_buf,4096);
         //4096用于测试写入字节不大于4096时的原子性

         if(real_wnum==-1)
                   if(errno==EAGAIN)
                            printf("trylater\n");
}

与上一个程序一起测试写FIFO的规则，第一个命令行参数是请求从FIFO读出的字节数

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#define FIFO_SERVER"/tmp/fifoserver"
main(int argc,char** argv)
{
         charr_buf[4096*2];
         int  fd;
         int  r_size;
         int  ret_size;
         r_size=atoi(argv[1]);
         printf("requredreal read bytes %d\n",r_size);
         memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
         fd=open(FIFO_SERVER,O_RDONLY|O_NONBLOCK,0);
         //fd=open(FIFO_SERVER,O_RDONLY,0);
         //在此处可以把读程序编译成两个不同版本：阻塞版本及非阻塞版本
         if(fd==-1)
         {
                   printf("open%s for read error\n");
                   exit();
         }
         while(1)
         {

                   memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
                   ret_size=read(fd,r_buf,r_size);
                   if(ret_size==-1)
                            if(errno==EAGAIN)
                                     printf("nodata avlaible\n");
                   printf("realread bytes %d\n",ret_size);
                   sleep(1);
         }
         pause();
         unlink(FIFO_SERVER);
}

管道常用于两个方面：

1、在shell中时常会用到管道（作为输入输入的重定向），在这种应用方式下，管道的创建对于用户来说是透明的；

2、用于具有亲缘关系的进程间通信，用户自己创建管道，并完成读写操作。

FIFO可以说是管道的推广，克服了管道无名字的限制，使得无亲缘关系的进程同样可以采用先进先出的通信机制进行通信。

管道和FIFO的数据是字节流，应用程序之间必须事先确定特定的传输"协议"，采用传播具有特定意义的消息。