Linux管道通信浅析
作者：高霞　曾辉　邓谦
来源：《数字化用户》2013年第26期
        【摘 要】在Linux下，由于处于用户态的不同进程之间是彼此隔离的，它们必须通过某种机制来进行通信。Linux平台下提供了多种进程通信方式，如管道、信号量、消息队列等，本文主要研究了Linux环境中的管道通信的实现机制，探讨无名管道和有名管道的工作方式，及相应的创建和使用的方法。
        【关键词】Linux、进程通信、管道
        一、管道实现机制
        我们把从一个进程连接到另一个进程的数据流称为 “管道”，这是最早的Linux进程间通信机制之一。在Linux中管道常作为一种特殊文件处理。实际上，管道是内核中一个固定大小的缓冲区，它按先进先出的方式进行数据传输，一个进程向管道中写的内容会被管道另一端的进程读出。每次写入的内容都添加在管道缓冲区的末尾，且从缓冲区的头部读出数据，读写的位
置自动增加，并且从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读，便从管道中被抛弃。在缓冲区写满时，则由相应的规则控制读写进程进入等待队列，当空的缓冲区有写入数据或满的缓冲区有数据读出时，就唤醒等待队列中的读写进程继续读写。
        管道分无名管道和有名管道。无名管道没有文件名，也没有磁盘节点，仅作为一个内存对象存在，用完后便销毁。无名管道没有显式的打开过程，实际上它在创建时就自动打开了，故只能由有亲缘关系的两个进程间通信使用。而有名管道克服了无名管道没有名字的限制，可由任意两个或多个进程间通信使用，它的使用方法和普通文件类似，都遵循打开、读、写、关闭的过程，只是读写的内部实现和普通文件有所不同。
        二、无名管道
        （一）无名管道创建
        int pipe（int fd[2]）在Linux中可以通过系统调用建立管道。当一个管道建立时，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，fd[1]固定用于写管道，如图1所示，这样就构成了一个半双工通道。
        由于管道用于不同进程间通信，而调用pipe（）创建的管道两端处于一个进程中，这在实际应用中没有太大意义。因此，通常先是创建一个管道，再通过调用fork（）函数创建子进程，该子进程会继承父进程所创建的管道，这时，父子进程就可以共享该管道。管道的文件描述符对应关系如图2所示。此时关系看似非常复杂，实际上却给不同进程之间的读写创造了很好的条件。父子进程分别拥有自己的读写通道，为了实现父子进程之间的读写，只需把无关的读端或写端文件描述符关闭即可。如在图3中将父进程的写端fd[1]和子进程的读端fd[0]关闭，此时，父子进程之间就建立起了一条“子进程写入父进程读取”的通道。反之，亦如此。
        （二） 无名管道读写操作
        创建完管道后，便可以调用I/O函数，如close、read、write等函数，对管道进行读写了，但注意与普通文件读写还有一定区别。
        1.从无名管道中读取数据。如果管道写端不存在，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；
        当管道写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF，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，则返回管道中现有数据字节数或返回请求的字节数。
        2.向无名管道中写入数据。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。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据，则写操作将一直阻塞。进程间通信管道
        三、有名管道
        有名管道建立在实际的磁盘介质上，有自己的名字，它以FIFO的文件形式存在于文件系统中。故即使与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。
        （一） 有名管道创建
        int mkfifo（const char * pathname， mode_t mode）
        该函数的第一个参数是路径名，即创建后FIFO的名字。若该参数是一个已经存在的路径名时，会返回EEXIST错误，故在调用mkfifo函数前最好先检查FIFO是否已经创建。
        第二个参数与open（）函数中的mode参数相同。如果程序在打开FIFO时指定了只读/只写方式，则该进程对于打开的FIFO就是一个读端/写端。如果指定的是读写方式，进程既是读端又是写端。
        （二） 有名管道的打开
        无名管道在创建时自动打开，但有名管道在使用时必须调用open（）打开。因为无名管道有两个文件数据结构：对应的VFS索引节点及共享数据页，在进程每次运行时都会创建一次，而FIFO一旦创建便一直存在。
        对管道使用open（）时可能会引起阻塞。若同时用读写方式（O_RDWR）打开，则不会引起阻塞；若用只读方式（O_RDONLY）打开，则open（）会阻塞一直到有写方打开管道， 除非指定了非阻塞方式（O_NONBLOCK）打开；若以只写方式（O_WRONLY）打开也会阻塞到有读方打开管道。
        （三） 有名管道的读写
        对有名管道的读写可以直接调用read（）、write（）函数实现，但在管道的读写中可能有阻塞情况，我们可以在open（）函数中设定非阻塞标志（O_NONBLOCK）。
        1.从FIFO中读取数据。如果有进程写打开FIFO，且当前FIFO内没有数据，则对设置了阻塞标志的读操作将一直阻塞。对没有设置阻塞标志读操作来说则返回-1。对设置了阻塞标志的读操作来说，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或是FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入。
        2.向FIFO中写入数据。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，若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。
        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不保证
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，若当前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。
        四、 结束语
        管道是Linux平台下最有特的IPC方式之一，本文介绍了Linux中管道的实现机制，并详细讨论了无名管道和有名管道的创建及使用方法，指出无名管道用于亲缘关系的进程，而有名管道则可用于任何进程之间。
        参考文献：
        [1] 乔静等，Linux两种管道通信方式分析及对比，电脑知识与技术，V01.6，No.24，August 2010
        [2] 周超，董军军，Linux进程管道通信的研究，电脑开发与应用，2008（1）
        [3] 杨水清等，ARM嵌入式Linux系统开发技术详解，北京：电子工业出版社，2008
        [4] DanielP. Bovet等， 深入理解Linux内核， 中国电力出版社， 2008
        作者简介：高霞，女，1980年11月，湖北十堰，武昌理工学院信息工程学院讲师，嵌入式方向

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