[apue] 神奇的 Solaris pipe

说到 pipe 大家可能都不陌生，经典的pipe调用配合fork进行父子进程通讯，简直就是Unix程序的标配。

然而Solaris上的pipe却和Solaris一样是个奇葩(虽然Solaris前途黯淡，但是不妨碍我们从它里面挖掘一些有价值的东西)，

有着和一般pipe诸多的不同之处，本文就来说说Solaris上神奇的pipe和一般pipe之间的异同。

1.solaris pipe 是全双工的

一般系统上的pipe调用是半双工的，只能单向传递数据，如果需要双向通讯，我们一般是建两个pipe分别读写。像下面这样：

     int n, fd1[], fd2[];
     if (pipe (fd1) <  || pipe(fd2) < )
         err_sys ("pipe error"); 

     char line[MAXLINE];
     pid_t pid = fork ();
     if (pid < )
         err_sys ("fork error");
     else if (pid > )
     {
         close (fd1[]);  // write on pipe1 as stdin for co-process
         close (fd2[]);  // read on pipe2 as stdout for co-process
         while (fgets (line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
             n = strlen (line);
             if (write (fd1[], line, n) != n)
                 err_sys ("write error to pipe");
             if ((n = read (fd2[], line, MAXLINE)) < )
                 err_sys ("read error from pipe"); 

             if (n == ) {
                 err_msg ("child closed pipe");
                 break;
             }
             line[n] = ;
             if (fputs (line, stdout) == EOF)
                 err_sys ("fputs error");
         }

         if (ferror (stdin))
             err_sys ("fputs error"); 

         return ;
     }
     else {
         close (fd1[]);
         close (fd2[]);
         if (fd1[] != STDIN_FILENO) {
             if (dup2 (fd1[], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO)
                 err_sys ("dup2 error to stdin");
             close (fd1[]);
         }

         if (fd2[] != STDOUT_FILENO) {
             if (dup2 (fd2[], STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO)
                 err_sys ("dup2 error to stdout");
             close (fd2[]);
         }

         if (execl (argv[], "add2", (char *)) < )
             err_sys ("execl error");
     }

这个程序创建两个管道，fd1用来写请求，fd2用来读应答；对子进程而言，fd1重定向到标准输入，fd2重定向到标准输出，读取stdin中的数据相加然后写入stdout完成工作。父进程在取得应答后向标准输出写入结果。

如果在Solaris上，可以直接用一个pipe同时读写，代码可以重写成这样：

 int fd[];
 if (pipe(fd) < )
     err_sys("pipe error\n");

 char line[MAXLINE];
 pid_t pid = fork();
 if (pid < )
     err_sys("fork error\n");
 else if (pid > )
 {
     close(fd[]);
     while (fgets(line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
         n = strlen(line);
         if (write(fd[], line, n) != n)
             err_sys("write error to pipe\n")
         if ((n = read(fd[], line, MAXLINE)) < )
             err_sys("read error from pipe\n");

         if (n == )
             err_sys("child closed pipe\n");
         line[n] = ;
         if (fputs(line, stdout) == EOF)
             err_sys("fputs error\n");
     }

     if (ferror(stdin))
         err_sys("fputs error\n");

     return ;
 }
 else {
     close(fd[]);
     if (fd[] != STDIN_FILENO)
         if (dup2(fd[], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO)
             err_sys("dup2 error to stdin\n");

     if (fd[] != STDOUT_FILENO) {
         if (dup2(fd[], STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO)
             err_sys("dup2 error to stdout\n");
         close(fd[]);
     }

     if (execl(argv[], argv[], (char *)) < )
         err_sys("execl error\n");

 }

代码清爽多了，不用去考虑fd1[0]和fd2[1]是啥意思是一件很养脑的事。

不过这样的代码只能在Solaris上运行（听说BSD也支持?），如果考虑到可移植性，还是写上面的比较稳妥。

测试程序

padd2.c

add2.c

2. solaris pipe 可以脱离父子关系建立

pipe 好用但是没法脱离fork使用，一般的pipe如果想让任意两个进程通讯，得借助它的变身fifo来实现。

关于FIFO，详情可参考我之前写的一篇文章：

[apue] FIFO：不是文件的文件

而Solaris上的pipe没这么多事，加入两个调用：fattach / fdetach，你就可以像使用FIFO一样使用pipe了：

 int fd[];
 if (pipe(fd) < )
     err_sys("pipe error\n");

 if (fattach(fd[], "./pipe") < )
     err_sys("fattach error\n");

 printf("attach to file pipe ok\n");

 close(fd[]);
 char line[MAXLINE];
 while (fgets(line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
     n = strlen(line);
     if (write(fd[], line, n) != n)
         err_sys("write error to pipe\n");
     if ((n = read(fd[], line, MAXLINE)) < )
         err_sys("read error from pipe\n");

     if (n == )
         err_sys("child closed pipe\n");

     line[n] = ;
     if (fputs(line, stdout) == EOF)
         err_sys("fputs error\n");
 }

 if (ferror(stdin))
     err_sys("fputs error\n");

 if (fdetach("./pipe") < )
     err_sys("fdetach error\n");

 printf("detach from file pipe ok\n");

在pipe调用之后立即加入fattach调用，可以将管道关联到文件系统的一个文件名上，该文件必需事先存在，且可读可写。

在fattach调用之前这个文件(./pipe)是个普通文件，打开读写都是磁盘IO；

在fattach调用之后，这个文件就变身成为一个管道了，打开读写都是内存流操作，且管道的另一端就是attach的那个进程。

子进程也需要改造一下，以便使用pipe通讯：

 int fd, n, int1, int2;
 char line[MAXLINE];
 fd = open("./pipe", O_RDWR);
 if (fd < )
     err_sys("open file pipe failed\n");

 printf("open file pipe ok, fd = %d\n", fd);
 while ((n = read(fd, line, MAXLINE)) > ) {
     line[n] = ;
     if (sscanf(line, "%d%d", &int1, &int2) == ) {
         sprintf(line, "%d\n", int1 + int2);
         n = strlen(line);
         if (write(fd, line, n) != n)
             err_sys("write error\n");

         printf("i am working on %s\n", line);
     }
     else {
         if (write(fd, "invalid args\n", ) != )
             err_sys("write msg error\n");
     }
 }

 close(fd);

打开pipe就如同打开普通文件一样，open直接搞定。当然前提是attach进程必需已经在运行。

当attach进程detach后，管道文件又将恢复它的本来面目。

脱离了父子关系的pipe其实可以建立多对一关系（多对多关系不可以，因为只能有一个进程attach）。

例如开4个cmd窗口，分别执行以下命令：

./padd2 abc
./add2
./add2
./add2

向attach进程(padd2)发送9个计算请求后，可以看到输出结果如下：

-bash-3.2$ ./padd2 abc
attach to file pipe ok
1 1
2
2 2
4
3 3
6
4 4
8
5 5
10
6 6
12
7 7
14
8 8
16
9 9
18

再回来看各个open管道的进程，输出分别如下：

-bash-3.2$ ./add2
open file pipe ok, fd = 3
source: 1 1
i am working on 2
source: 4 4
i am working on 8
source: 7 7
i am working on 14

-bash-3.2$ ./add2
open file pipe ok, fd = 3
source: 2 2
i am working on 4
source: 5 5
i am working on 10
source: 9 9
i am working on 18

-bash-3.2$ ./add2
open file pipe ok, fd = 3
source: 2 2
i am working on 4
source: 5 5
i am working on 10
source: 9 9
i am working on 18

-bash-3.2$ ./add2
open file pipe ok, fd = 3
source: 3 3
i am working on 6
source: 6 6
i am working on 12
source: 8 8
i am working on 16

可以发现一个很有趣的现象，就是各个add2进程基本是轮着来获取请求的，可以猜想底层的pipe可能有一个进程排队机制。

但是反过来使用pipe就不行了。就是说当启动一个add3（区别于上例的add2与padd2）作为fattach端打开pipe，启动多个padd3作为open端使用pipe，

然后通过命令行给padd3传递要相加的值，可以写一个脚本同时启动多个padd3，来查看效果：

#! /bin/sh
./padd3 1 1 &
./padd3 2 2 &
./padd3 3 3 &
./padd3 4 4 &

这个脚本中启动了4个加法进程，同时向add3发送4个加法请求，脚本中四个进程输出如下：

-bash-3.2$ ./padd3.sh
-bash-3.2$ open file pipe ok, fd = 3
1 1 = 2
open file pipe ok, fd = 3
2 2 = 4
open file pipe ok, fd = 3
open file pipe ok, fd = 3
4 4 = 37

可以看到3+3的请求被忽略了，转到add3查看输出：

-bash-3.2$ ./add3
attach to file pipe ok
source: 1 1
i am working on 1 + 1 = 2
source: 2 2
i am working on 2 + 2 = 4
source: 3 34 4
i am working on 3 + 34 = 37

原来是3+3与4+4两个请求粘连了，导致add3识别成一个3+34的请求，所以出错了。

多运行几遍脚本后，发现还有这样的输出：

-bash-3.2$ ./padd3.sh
-bash-3.2$ open file pipe ok, fd = 3
4 4 = 2
open file pipe ok, fd = 3
2 2 = 4
open file pipe ok, fd = 3
3 3 = 6
open file pipe ok, fd = 3
1 1 = 8

4+4=2？1+1=8?再看add3这头的输出：

-bash-3.2$ ./add3
attach to file pipe ok
source: 1 1
i am working on 1 + 1 = 2
source: 2 2
i am working on 2 + 2 = 4
source: 3 3
i am working on 3 + 3 = 6
source: 4 4
i am working on 4 + 4 = 8

完全正常呢。

经过一番推理，发现是4+4的请求取得了1+1请求的应答；1+1的请求取得了4+4的应答。

可见这样的结构还有一个弊端，同时请求的进程可能无法得到自己的应答，应答与请求之间相互错位。

所以想用fattach来实现多路请求的人还是洗洗睡吧，毕竟它就是一个pipe不是，还能给它整成tcp么？

而之前的例子可以，是因为请求是顺序发送的，上个请求得到应答后才发送下个请求，所以不存在这个例子的问题（但是实用性也不高）。

测试程序

padd3.c

add3.c

3. solaris pipe 可以通过connld模块实现类似tcp的多路连接

第2条刚说不能实现多路连接，第3条就接着来打脸了，这是由于Solaris上的pipe都是基于STREAMS技术构建，

而STREAMS是支持灵活的PUSH、POP流处理模块的，再加上STREAMS传递文件fd的能力，就可以支持类似tcp中accept的能力。

即每个open pipe文件的进程，得到的不是原来管道的fd，而是新创建管道的fd，而管道的另一侧fd则通过已有的管道发送到attach进程，

后者使用这个新的fd与客户进程通讯。为了支持多路连接，我们的代码需要重新整理一下，首先看客户端：

 int fd;
 char line[MAXLINE];
 fd = cli_conn("./pipe");
 if (fd < )
     return ;

这里将open相关逻辑封装到了cli_conn函数中，以便之后复用：

 int cli_conn(const char *name)
 {
     int fd;
     if ((fd = open(name, O_RDWR)) < ) {
         printf("open pipe file failed\n");
         return -;
     }

     if (isastream(fd) == ) {
         close(fd);
         return -;
     }

     return fd;
 }

可以看到与之前几乎没有变化，只是增加了isastream调用防止attach进程没有启动。

再来看下服务端：

 int listenfd = serv_listen("./pipe");
 if (listenfd < )
     return ;

 int acceptfd = ;
 int n = , int1 = , int2 = ;
 char line[MAXLINE];
 uid_t uid = ;
 while ((acceptfd = serv_accept(listenfd, &uid)) >= )
 {
     printf("accept a client, fd = %d, uid = %ld\n", acceptfd, uid);
     while ((n = read(acceptfd, line, MAXLINE)) > ) {
         line[n] = ;
         printf("source: %s\n", line);
         if (sscanf(line, "%d%d", &int1, &int2) == ) {
             sprintf(line, "%d\n", int1 + int2);
             n = strlen(line);
             if (write(acceptfd, line, n) != n) {
                 printf("write error\n");
                 return ;
             }
             printf("i am working on %d + %d = %s\n", int1, int2, line);
         }
         else {
             if (write(acceptfd, "invalid args\n", ) != ) {
                 printf("write msg error\n");
                 return ;
             }
         }
     }

     close(acceptfd);
 }

 if (fdetach("./pipe") < ) {
     printf("fdetach error\n");
     return ;
 }

 printf("detach from file pipe ok\n");
 close(listenfd);

首先调用serv_listen建立基本pipe，然后不断在该pipe上调用serv_accept来获取独立的客户端连接。之后的逻辑与以前一样。

现在重点看下封装的这两个方法：

 int serv_listen(const char *name)
 {
     int tempfd;
     int fd[];
     unlink(name);
     tempfd = creat(name, FIFO_MODE);
     if (tempfd < ) {
         printf("creat failed\n");
         return -;
     }

     if (close(tempfd) < ) {
         printf("close temp fd failed\n");
         return -;
     }

     if (pipe(fd) < ) {
         printf("pipe error\n");
         return -;
     }

     if (ioctl(fd[], I_PUSH, "connld") < ) {
         printf("I_PUSH connld failed\n");
         close(fd[]);
         close(fd[]);
         return -;
     }

     printf("push connld ok\n");
     if (fattach(fd[], name) < ) {
         printf("fattach error\n");
         close(fd[]);
         close(fd[]);
         return -;
     }

     printf("attach to file pipe ok\n");
     close(fd[]);
     return fd[];
 }

serv_listen封装了与建立基本pipe相关的代码，首先确保pipe文件存在且可读写，然后创建普通的pipe，在fattach调用之前必需先PUSH一个connld模块到该pipe STREAM中。这样就大功告成！

 int serv_accept(int listenfd, uid_t *uidptr)
 {
     struct strrecvfd recvfd;
     if (ioctl(listenfd, I_RECVFD, &recvfd) < ) {
         printf("I_RECVFD from listen fd failed\n");
         return -;
     }

     if (uidptr)
         *uidptr = recvfd.uid;

     return recvfd.fd;
 }

当有客户端连接上来的时候，使用I_RECVFD接收connld返回的另一个pipe的fd。之后的数据将在该pipe进行。

看了看，感觉和tcp的listen与accept别无二致，看来天下武功，至精深处都是英雄所见略同。

之前的多个客户端同时运行的例子再跑一遍，观察attach端输出：

-bash-3.2$ ./add4
push connld ok
attach to file pipe ok
accept a client, fd = 4, uid = 101
source: 1 1
i am working on 1 + 1 = 2
accept a client, fd = 4, uid = 101
source: 2 2
i am working on 2 + 2 = 4
accept a client, fd = 4, uid = 101
source: 3 3
i am working on 3 + 3 = 6
accept a client, fd = 4, uid = 101
source: 4 4
i am working on 4 + 4 = 8

一切正常。再看下脚本中四个进程的输出：

-bash-3.2$ ./padd4.sh
-bash-3.2$ open file pipe ok, fd = 3
1 1 = 2
open file pipe ok, fd = 3
2 2 = 4
open file pipe ok, fd = 3
3 3 = 6
open file pipe ok, fd = 3
4 4 = 8

也是没问题的，既没有出现多个请求粘连的情况，也没有出现请求与应答错位的情况。

测试程序

padd4.c

add4.c

4.结论

Solaris 上的pipe不仅可以全双工通讯、不依赖父子进程关系，还可以实现类似tcp那样分离多个客户端通讯连接的能力。

虽然Solaris前途未卜，但是希望一些好的东西还是能流传下来，就比如这个神奇的pipe。

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