【Linux 应用编程】进程管理 - 进程间通信IPC之管道 pipe 和 FIFO

IPC（InterProcess Communication，进程间通信）是进程中的重要概念。Linux 进程之间常用的通信方式有：

• 文件：简单，低效，需要代码控制同步
• 管道：使用简单，默认阻塞
  • 匿名管道 pipe：只存在于内核缓冲区，只能用于有血缘关系的进程
  • 有名管道 FIFO：在文件系统中存在，可用于无血缘关系的进程
• 信号量：使用复杂，但开销小，操作系统本身支持信号量
• 内存映射区 mmap：进程有无血缘关系都可以
• 本地套接字 socket：稳定可靠

管道概念

通过管道，可以把一个进程的输出作为另一个进程的输入。管道分为两种：

• 匿名管道：主要用于两个进程间有父子关系的进程间通信
• 命名管道：主要用于没有父子关系的进程间通信

通常用的管道，都是匿名管道。管道实际上是一块内核缓冲区，不占用磁盘空间，但操作方式跟文件是一样的。

在 Linux 的命令行终端中，管道是再常用不过的命令技巧了。通过管道可以把前一个命令的输出作为后一个命令的输入。在 Linux 命令中通常通过符号 | 来使用管道。

例如，查看所有的进程，然后按关键字过滤：

ps aux | grep mysql

匿名管道

匿名管道是不能在文件系统中以任何方式看到的半双工管道，不占磁盘空间。管道的特点有：

• 一端只读或只写。读端、写端分别是一个文件描述符
• 操作管道的进程退出后，管道自动释放
• 管道默认是阻塞的
• 半双工，数据在管道内只能单向传输

匿名管道无法判断消息是否被读完，通常仅用于父进程向子进程传递数据，或子进程向父进程传递数据。此时可以在父子进程中关闭不用的读或写端。

管道是基于环形队列这个数据结构实现的，数据先进先出。默认的缓冲区大小是 4 KB，大小会自动调整。

• 单工：数据单向流动，例如遥控器
• 双工：数据可以同时双向流动，例如手机
• 半双工：数据可以双向流动，但不可同时双向流动，例如对讲机

pipe 函数

pipe() 函数用于创建匿名管道。.

函数原型：

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

参数：返回文件描述符数组，对应管道的两端，往写端写的数据会被内核缓存起来，直到读端将数据读完。其中：

• pipefd[0]：读端
• pipefd[1]：写端

返回值：成功返回 0，否则返回-1。

示例：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int fd[2];
    int ret, pid;
    char buf;
    ret = pipe(fd);
    if (ret == -1)
    {
        perror("pipe error");
        exit(1);
    }

    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        close(fd[1]);
        while(read(fd[0], &buf, 1) > 0)
        {
	        // 两种方式都可以实现输出
            printf("%c\n", buf);
            write(STDOUT_FILENO, &buf, 1);
        }
        close(fd[0]);
    }
    else if (pid > 0)
    {
        close(fd[0]);
        write(fd[1], "hello world", 12);
        close(fd[1]);
        wait(NULL);
    }
    else
    {
        perror("fork error");
        exit(1);
    }

    close(fd[0]);
    close(fd[1]);
    return 0;
}

命名管道

命名管道也叫 FIFO 文件，在文件系统中以文件名的形式存在，大小为0。匿名管道无法在无关进程之间通信，但 FIFO 可以借助文件系统中的文件，使得同一主机内的所有的进程都可以通信。

进程通过 FIFO 通信时，首先要打开管道文件，然后使用 read 、write 函数通信。

mkfifo 函数

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

参数：

• pathname：指定文件名
• mode：指定文件的读写权限

返回值：

函数成功返回 0，否则返回-1 并设置 errno，常见 errno 有：

• EACCES：pathname 所在的目录不允许执行权限
• EEXIST：pathname 已经存在
• ENOENT：目录部分不存在
• ENOTDIR：目录部分不一个目录
• EROFS：路径指向一个只读的文件系统

示例：

创建两个进程，一个将文件内容读到 FIFO，另一个从 FIFO 读内容写到另一个文件。

写 FIFO 的文件示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#define BUFSIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]){
    int ret;
    int datafd, fifofd;
    int bytes;
    char buffer[BUFSIZE];
    const char *fifoname = "/tmp/fifo";

    if (argc != 2) {
        printf("please input filename\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (access(fifoname, F_OK) < 0) {
        ret = mkfifo(fifoname, 0777);
        if (ret < 0) {
            perror("mkfifo error");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }
    fifofd = open(fifoname, O_WRONLY);
    datafd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fifofd < 0) {
        perror("open fifo error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (datafd < 0) {
        perror("open file error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    bytes = read(datafd, buffer, BUFSIZE);
    while (bytes > 0) {
        ret = write(fifofd, buffer, bytes);
        if (ret < 0) {
            perror("write fifo error");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        bytes = read(datafd, buffer, BUFSIZE);
    }
    close(fifofd);
    close(datafd);
    return 0;
}

读 FIFO 的文件示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#define BUFSIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]) {
    char *fifoname = "/tmp/fifo";
    int fifofd, datafd;
    int bytes, ret;
    char buffer[BUFSIZE];

    if (argc != 2) {
        printf("please input a filename");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    fifofd = open(fifoname, O_RDONLY);
    datafd = open(argv[1], O_WRONLY);
    if (fifofd < 0) {
        perror("open fifo error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (datafd < 0) {
        perror("open file error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    bytes = read(fifofd, buffer, BUFSIZE);
    while(bytes > 0) {
        ret = write(datafd, buffer, bytes);
        if (ret < 0) {
            perror("write file error");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        bytes = read(fifofd, buffer, BUFSIZE);
    }
    close(datafd);
    close(fifofd);
    return 0;
}