Linux进程通信-⽆名管道与有名管道
⽆名管道(PIPE)和有名管道(FIFO)都是UNIX进程间通信(InterProcess Communication,简称IPC)的⼿段。
⽆名管道PIPE
管道特点
管道通常指⽆名管道,是IPC最古⽼的形式。管道有何特点?
1. 半双⼯通信,具有固定的读端、写端(单向传输数据);
2. 管道只能在具有公共祖先的2个进程间使⽤,通常是⽗⼦进程;
管道的创建
管道由pipe函数创建,见
#include <unistd.h>
/* fd返回2个⽂件描述符:fd[0]为读⽽打开;fd[1]为写⽽打开。fd[1]的输出是fd[0]的输⼊ */
int pipe(int fd[2]);
/* 提供位元选项可设置。flags=0时,pipe2同pipe。
* 常⽤选项:O_NONBLOCK
*/
int pipe2(int fd[2], int flags);
通过fd[0]调⽤read()读取数据的⼀端,叫读端;通过fd[1]调⽤write()写数据的⼀端进程,叫写端。
通常的创建模型:
int pipefd[2];
ret = pipe(pipefd);
fork();
管道的状态
同⼀个进程使⽤管道没有意义,因为管道专门⽤于进程间通信。进程内的通信使⽤全局变量即可。要实现⽗⼦进程的通信,创建管道后,需要关闭⼀个读端,⼀个写端。⽐如⼀个从⽗进程到⼦进程的管道,⽗进程关闭fd[0],⼦进程关闭fd[1]。
单进程半双⼯管道(⽆意义状态)
fork⼦进程后的半双⼯管道(创建后的初始状态)
⽗进程到⼦进程的管道(理想状态)
管道的使⽤规则
当管道的⼀端被关闭后,下⾯的规则起作⽤:
1. 读端和写端都可以对应多个进程,但通常⼀个管道只有⼀个读进程和⼀个写进程;
2. 当读⼀个写端已关闭的管道时,在所有数据都被读取后,read返回0,表⽰⽂件结束(只要还有⼀个写端还有进程,就不会产⽣⽂件的
结束);
3. 如果写⼀个读端已关闭的管道,会产⽣信号SIGPIPE。如果忽略该信号,或者捕捉该信号从并从其处理程序返回,则write返回-
1,errnor=EPIPE。
查看打开的管道⽂件
管道是⽂件的⼀种,/proc/PID/fd(这⾥PID是打开管道的进程id)下可以查看进程打开的管道⽂件:
$ ll /proc/2889/fd
...
管道的内存区域⼤⼩
write写管道时,要求写的字节数 <= PIPE_BUF (内核的管道缓冲区⼤⼩)。多个进程同时写⼀个管道,可能造成写的字节数超过
PIPE_BUF,所写数据可能会与其他进程所写数据相互交叉。
调⽤fcntl,pathconf或fpathconf函数,可确定PIPE_BUF的值。
// 获取管道⼤⼩
pipe_capacity = fcntl(fd, ?F_GETPIPE_SZ);
// 设置管道的⼤⼩
ret = fcntl(fd, ?F_SET_PIPE_SZ, size);
管道内存区域的⼤⼩必须在页⾯⼤⼩(PAGE)和上限值之间。上限值记录在/proc/sys/fs/pipe-max-size,特权⽤户可修改该上限值
$ cat /proc/sys/fs/pipe-max-size
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⽰例
创建⽗进程到⼦进程的管道,⽗进程通过管道向⼦进程传送数据。
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#define MAXLINE    80
int main() {
pid_t pid ;
int fd[2];
char buf[MAXLINE];
int ret = pipe(fd);
if (ret < 0) {
perror("pipe error\n");
exit(1);
}
pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("fork error");
exit(1);
}
else if (pid == 0) { // child
close(fd[1]);
int n = read(fd[0], buf, MAXLINE);
write(STDOUT_FILENO, buf, n);
}
else { // parent
close(fd[0]);
char *s = "hello world\n";
write(fd[1], s, strlen(s));
waitpid(pid, NULL, 0);
exit(0);
}
return 0;
}
有名管道FIFO
有名管道特点
有名管道也叫命名管道,可以解决⽆名管道只能适⽤于两个有共同祖先的进程的问题,即使两个不相关的进程也能通过FIFO交换数据。有名管道是⼀种⽂件类型,存在于⽂件系统中,通过stat结构的st_mode成员的编码
有名管道和⽆名管道本质是⼀样的,最⼤的区别是:有名管道有关联的实体⽂件,⽽⽆名管道没有。正因为有关联实体⽂件,没有亲缘关系的任意两个进程之间,可以通过有名管道进⾏通信。
创建FIFO⽂件
使⽤有名管道前,需要创建FIFO⽂件,调⽤mkfifo(C程序)或mkfifo命令(shell环境)
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
/
* 创建fifo⽂件
* pathname 指定⽂件名(路径)
* mode 类似于open,指定FIFO⽂件的读写执⾏权利
*/
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
第⼆个参数指定FIFO⽂件读写执⾏权利,但真实的权限还需要按当前进程umask掩码得到:
real_mode = (mode & ~umask);  // 当前进程的umask掩码,可调⽤umask()获取
打开FIFO⽂件
通过调⽤open打开⽂件,close关闭⽂件。
不能以O_RDWR(读、写)模式打开FIFO⽂件,O_RDWR模式打开FIFO⽂件⾏为未定义。
使⽤FIFO⽂件的⽅法是:⼀个进程以只读模式(O_RDONLY)打开FIFO⽂件,另⼀个进程以只写模式
(O_WRONLY)打开FIFO⽂件。负责写⼊FIFO的进程的写⼊内容,就可以被负责读出FIFO的进程读取到,从⽽实现通信的⽬的。
O_NONBLOCK
没有指定O_NONBLOCK模式时,以O_RDONLY只读打开FIFO⽂件不能返回(处于阻塞状态),等写打开;同样以O_WRONLY只写打开FIFO⽂件也不能返回,等读打开。O_RDONLY和O_WRONLY请求同时达到FIFO⽂件时,两个进程的打开请求就都能返回了。
如果指定了O_NONBLOCK,读打开请求在没有写进程的时候,可以成功返回;但是没有读进程的写打开请求,返回-1(失败),errno = ENXIO。
原因:FIFO只有读取端,没有写⼊端,没有明显的危害,尝试读取FIFO数据的操作不会返回任何数据。相反,如果允许只存在写⼊端不存在读取端,那么open之后,所有向FIFO⽂件的写⼊操作,都会导致产⽣SIGPIPE信号,以及调⽤write返回EPIPE的错误。因此,在源头上堵住(open返回失败)该问题反⽽合理。
添加O_NONBLOCK选项标志
对于⽆名管道,可以通过pipe2(fd, O_NONBLOCK);来指定O_NONBLOCK选项。
如果忘记为FIFO⽂件设置O_NONBLOCK标志位,可以通过fcntl:
// 添加O_NONBLOCK标志位
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
flags |= O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, flags);
进程间通信管道// 清除O_NONBLOCK标志位
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
flags &= ~O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, flags);
读写FIFO⽂件
同普通⽂件操作,通过调⽤read读⽂件,write写⽂件。
写⽂件的数据量不能超过PIPE_BUF个字节(limits.h),否则不能保证是原⼦的(内容连续)。多个进程同时写⼊,写⼊的内容也不会被其他进程写⼊内容打断。
PIPE_BUF最少512byte,对Linux是4096(⼀个页⾯⼤⼩)。
参考
《APUE》

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