[apue] 神奇的 Solaris pipe

Posted 2020-11-22 goodcitizen

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：

 1     int n, fd1[2], fd2[2]; 
 2     if (pipe (fd1) < 0 || pipe(fd2) < 0)
 3         err_sys ("pipe error"); 
 4 
 5     char line[MAXLINE]; 
 6     pid_t pid = fork (); 
 7     if (pid < 0) 
 8         err_sys ("fork error"); 
 9     else if (pid > 0)
10     {
11         close (fd1[0]);  // write on pipe1 as stdin for co-process
12         close (fd2[1]);  // read on pipe2 as stdout for co-process
13         while (fgets (line, MAXLINE, stdin) != NULL) { 
14             n = strlen (line); 
15             if (write (fd1[1], line, n) != n)
16                 err_sys ("write error to pipe"); 
17             if ((n = read (fd2[0], line, MAXLINE)) < 0)
18                 err_sys ("read error from pipe"); 
19 
20             if (n == 0) { 
21                 err_msg ("child closed pipe"); 
22                 break;
23             }
24             line[n] = 0; 
25             if (fputs (line, stdout) == EOF)
26                 err_sys ("fputs error"); 
27         }
28 
29         if (ferror (stdin))
30             err_sys ("fputs error"); 
31 
32         return 0; 
33     }
34     else { 
35         close (fd1[1]); 
36         close (fd2[0]); 
37         if (fd1[0] != STDIN_FILENO) { 
38             if (dup2 (fd1[0], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO)
39                 err_sys ("dup2 error to stdin"); 
40             close (fd1[0]); 
41         }
42 
43         if (fd2[1] != STDOUT_FILENO) { 
44             if (dup2 (fd2[1], STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO)
45                 err_sys ("dup2 error to stdout"); 
46             close (fd2[1]); 
47         }
48 
49         if (execl (argv[1], "add2", (char *)0) < 0)
50             err_sys ("execl error"); 
51     }

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：

 1 int fd[2];
 2 if (pipe(fd) < 0) 
 3     err_sys("pipe error
");
 4 
 5 char line[MAXLINE];
 6 pid_t pid = fork();
 7 if (pid < 0)
 8     err_sys("fork error
");
 9 else if (pid > 0)
10 {
11     close(fd[1]);
12     while (fgets(line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
13         n = strlen(line);
14         if (write(fd[0], line, n) != n)
15             err_sys("write error to pipe
")
16         if ((n = read(fd[0], line, MAXLINE)) < 0) 
17             err_sys("read error from pipe
");
18 
19         if (n == 0) 
20             err_sys("child closed pipe
");
21         line[n] = 0;
22         if (fputs(line, stdout) == EOF) 
23             err_sys("fputs error
");
24     }
25 
26     if (ferror(stdin))
27         err_sys("fputs error
");
28 
29     return 0;
30 }
31 else {
32     close(fd[0]);
33     if (fd[1] != STDIN_FILENO)
34         if (dup2(fd[1], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO)
35             err_sys("dup2 error to stdin
");
36 
37     if (fd[1] != STDOUT_FILENO) {
38         if (dup2(fd[1], STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO)
39             err_sys("dup2 error to stdout
");
40         close(fd[1]);
41     }
42 
43     if (execl(argv[1], argv[2], (char *)0) < 0)
44         err_sys("execl error
");
45 
46 }

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：

 1 int fd[2];
 2 if (pipe(fd) < 0)
 3     err_sys("pipe error
");
 4 
 5 if (fattach(fd[1], "./pipe") < 0)
 6     err_sys("fattach error
");
 7 
 8 printf("attach to file pipe ok
");
 9 
10 close(fd[1]);
11 char line[MAXLINE];
12 while (fgets(line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
13     n = strlen(line);
14     if (write(fd[0], line, n) != n)
15         err_sys("write error to pipe
");
16     if ((n = read(fd[0], line, MAXLINE)) < 0)
17         err_sys("read error from pipe
");
18 
19     if (n == 0) 
20         err_sys("child closed pipe
");
21 
22     line[n] = 0;
23     if (fputs(line, stdout) == EOF)
24         err_sys("fputs error
");
25 }
26 
27 if (ferror(stdin))
28     err_sys("fputs error
");
29 
30 if (fdetach("./pipe") < 0)
31     err_sys("fdetach error
");
32 
33 printf("detach from file pipe ok
");

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：

 1 int fd, n, int1, int2;
 2 char line[MAXLINE];
 3 fd = open("./pipe", O_RDWR);
 4 if (fd < 0)
 5     err_sys("open file pipe failed
");
 6 
 7 printf("open file pipe ok, fd = %d
", fd);
 8 while ((n = read(fd, line, MAXLINE)) > 0) {
 9     line[n] = 0;
10     if (sscanf(line, "%d%d", &int1, &int2) == 2) {
11         sprintf(line, "%d
", int1 + int2);
12         n = strlen(line);
13         if (write(fd, line, n) != n)
14             err_sys("write error
");
15 
16         printf("i am working on %s
", line);
17     }
18     else {
19         if (write(fd, "invalid args
", 13) != 13)
20             err_sys("write msg error
");
21     }
22 }
23 
24 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: 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：

1 int fd;
2 char line[MAXLINE];
3 fd = cli_conn("./pipe");
4 if (fd < 0)
5     return 0;

这里将open相关逻辑封装到了cli_conn函数中，以便之后复用：

 1 int cli_conn(const char *name)
 2 {
 3     int fd;
 4     if ((fd = open(name, O_RDWR)) < 0) {
 5         printf("open pipe file failed
");
 6         return -1;
 7     }
 8 
 9     if (isastream(fd) == 0) {
10         close(fd);
11         return -2;
12     }
13 
14     return fd;
15 }

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：

 1 int listenfd = serv_listen("./pipe");
 2 if (listenfd < 0)
 3     return 0;
 4 
 5 int acceptfd = 0;
 6 int n = 0, int1 = 0, int2 = 0;
 7 char line[MAXLINE];
 8 uid_t uid = 0;
 9 while ((acceptfd = serv_accept(listenfd, &uid)) >= 0)
10 {
11     printf("accept a client, fd = %d, uid = %ld
", acceptfd, uid);
12     while ((n = read(acceptfd, line, MAXLINE)) > 0) {
13         line[n] = 0;
14         printf("source: %s
", line);
15         if (sscanf(line, "%d%d", &int1, &int2) == 2) {
16             sprintf(line, "%d
", int1 + int2);
17             n = strlen(line);
18             if (write(acceptfd, line, n) != n) {
19                 printf("write error
");
20                 return 0;
21             }
22             printf("i am working on %d + %d = %s
", int1, int2, line);
23         }
24         else {
25             if (write(acceptfd, "invalid args
", 13) != 13) {
26                 printf("write msg error
");
27                 return 0;
28             }
29         }
30     }
31 
32     close(acceptfd);
33 }
34 
35 if (fdetach("./pipe") < 0) {
36     printf("fdetach error
");
37     return 0;
38 }
39 
40 printf("detach from file pipe ok
");
41 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：

 1 int serv_listen(const char *name)
 2 {
 3     int tempfd;
 4     int fd[2];
 5     unlink(name);
 6     tempfd = creat(name, FIFO_MODE);
 7     if (tempfd < 0) {
 8         printf("creat failed
");
 9         return -1;
10     }
11 
12     if (close(tempfd) < 0) {
13         printf("close temp fd failed
");
14         return -2;
15     }
16 
17     if (pipe(fd) < 0) {
18         printf("pipe error
");
19         return -3;
20     }
21 
22     if (ioctl(fd[1], I_PUSH, "connld") < 0) {
23         printf("I_PUSH connld failed
");
24         close(fd[0]);
25         close(fd[1]);
26         return -4;
27     }
28 
29     printf("push connld ok
");
30     if (fattach(fd[1], name) < 0) {
31         printf("fattach error
");
32         close(fd[0]);
33         close(fd[1]);
34         return -5;
35     }
36 
37     printf("attach to file pipe ok
");
38     close(fd[1]);
39     return fd[0];
40 }

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！

 1 int serv_accept(int listenfd, uid_t *uidptr)
 2 {
 3     struct strrecvfd recvfd;
 4     if (ioctl(listenfd, I_RECVFD, &recvfd) < 0) {
 5         printf("I_RECVFD from listen fd failed
");
 6         return -1;
 7     }
 8 
 9     if (uidptr)
10         *uidptr = recvfd.uid;
11 
12     return recvfd.fd;
13 }

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。

 

看完今天的文章，你是不是对特立独行的Solaris又加深了一层了解？欢迎留言区说说你认识的Solaris。