Linux管道和命名管道
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux管道和命名管道相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
本系列序中作者概述了 linux 进程间通信的几种主要手段。其中管道和有名管道是最早的进程间通信机制之一，管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信。 认清管道和有名管道的读写规则是在程序中应用它们的关键，本文在详细讨论了管道和有名管道的通信机制的基础上，用实例对其读写规则进行了程序验证，这样做有利于增强读者对读写规则的感性认识，同时也提供了应用范例。
1 管道概述及相关API应用
1.1 管道相关的关键概念
管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一，具有以下特点：
- 管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道；
- 只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）；
- 单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。
- 数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。
1.2 管道的创建
int pipe(int fd[2])
该函数创建的管道的两端处于一个进程中间，在实际应用中没有太大意义，因此，一个进程在由pipe()创建管道后，一般再fork一个子进程，然后通过管道实现父子进程间的通信（因此也不难推出，只要两个进程中存在亲缘关系，这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式来进行通信）。
1.3 管道的读写规则
管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字fd[1]来表示，称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道，如close、read、write等等。
从管道中读取数据：
- 如果管道的写端不存在，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；
- 当管道的写端存在时，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（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）。注：（PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定义，不同的内核版本可能会有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少为512字节，red hat 7.2中为4096）。
向管道中写入数据：
- 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，那么写操作将一直阻塞。
注：只有在管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIFPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略（默认动作则是应用程序终止）。
关于管道的读规则验证：
1 /************** 2 * readtest.c * 3 **************/ 4 #include 5 #include 6 #include 7 main() 8 { 9 int pipe_fd[2]; 10 pid_t pid; 11 char r_buf[100]; 12 char w_buf[4]; 13 char* p_wbuf; 14 int r_num; 15 int cmd; 16 17 memset(r_buf,0,sizeof(r_buf)); 18 memset(w_buf,0,sizeof(r_buf)); 19 p_wbuf=w_buf; 20 if(pipe(pipe_fd)<0) 21 { 22 printf("pipe create error\n"); 23 return -1; 24 } 25 26 if((pid=fork())==0) 27 { 28 printf("\n"); 29 close(pipe_fd[1]); 30 sleep(3);//确保父进程关闭写端 31 r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,100); 32 printf( "read num is %d the data read from the pipe is %d\n",r_num,atoi(r_buf)); 33 34 close(pipe_fd[0]); 35 exit(); 36 } 37 else if(pid>0) 38 { 39 close(pipe_fd[0]);//read 40 strcpy(w_buf,"111"); 41 if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!=-1) 42 printf("parent write over\n"); 43 close(pipe_fd[1]);//write 44 printf("parent close fd[1] over\n"); 45 sleep(10); 46 } 47 } 48 /************************************************** 49 * 程序输出结果： 50 * parent write over 51 * parent close fd[1] over 52 * read num is 4 the data read from the pipe is 111 53 * 附加结论： 54 * 管道写端关闭后，写入的数据将一直存在，直到读出为止. 55 ****************************************************/ 56
对管道的写规则的验证1：写端对读端存在的依赖性
1 #include 2 #include 3 main() 4 { 5 int pipe_fd[2]; 6 pid_t pid; 7 char r_buf[4]; 8 char* w_buf; 9 int writenum; 10 int cmd; 11 12 memset(r_buf,0,sizeof(r_buf)); 13 if(pipe(pipe_fd)<0) 14 { 15 printf("pipe create error\n"); 16 return -1; 17 } 18 19 if((pid=fork())==0) 20 { 21 close(pipe_fd[0]); 22 close(pipe_fd[1]); 23 sleep(10); 24 exit(); 25 } 26 else if(pid>0) 27 { 28 sleep(1); //等待子进程完成关闭读端的操作 29 close(pipe_fd[0]);//write 30 w_buf="111"; 31 if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4))==-1) 32 printf("write to pipe error\n"); 33 else 34 printf("the bytes write to pipe is %d \n", writenum); 35 36 close(pipe_fd[1]); 37 } 38 }
则输出结果为： Broken pipe,原因就是该管道以及它的所有fork()产物的读端都已经被关闭。如果在父进程中保留读端，即在写完pipe后，再关闭父进程的读端，也会正常写入pipe，读者可自己验证一下该结论。因此，在向管道写入数据时，至少应该存在某一个进程，其中管道读端没有被关闭，否则就会出现上述错误（管道断裂,进程收到了SIGPIPE信号，默认动作是进程终止）对管道的写规则验证2：linux不保证管道的原子性操做：
1 #include 2 #include 3 #include 4 main(int argc,char**argv) 5 { 6 int pipe_fd[2]; 7 pid_t pid; 8 char r_buf[4096]; 9 char w_buf[4096*2]; 10 int writenum; 11 int rnum; 12 memset(r_buf,0,sizeof(r_buf)); 13 if(pipe(pipe_fd)<0) 14 { 15 printf("pipe create error\n"); 16 return -1; 17 } 18 19 if((pid=fork())==0) 20 { 21 close(pipe_fd[1]); 22 while(1) 23 { 24 sleep(1); 25 rnum=read(pipe_fd[0],r_buf,1000); 26 printf("child: readnum is %d\n",rnum); 27 } 28 close(pipe_fd[0]); 29 30 exit(); 31 } 32 else if(pid>0) 33 { 34 close(pipe_fd[0]);//write 35 memset(r_buf,0,sizeof(r_buf)); 36 if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,1024))==-1) 37 printf("write to pipe error\n"); 38 else 39 printf("the bytes write to pipe is %d \n", writenum); 40 writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4096); 41 close(pipe_fd[1]); 42 } 43 } 44 /*输出结果： 45 the bytes write to pipe 1000 46 the bytes write to pipe 1000 //注意，此行输出说明了写入的非原子性 47 the bytes write to pipe 1000 48 the bytes write to pipe 1000 49 the bytes write to pipe 1000 50 the bytes write to pipe 120 //注意，此行输出说明了写入的非原子性 51 the bytes write to pipe 0 52 the bytes write to pipe 0 53 ...... 54 55 结论： 56 写入数目小于4096时写入是非原子的！ 57 如果把父进程中的两次写入字节数都改为5000，则很容易得出下面结论： 58 写入管道的数据量大于4096字节时，缓冲区的空闲空间将被写入数据（补齐），直到写完所有数据为止，如果没有进程读数据，则一直阻塞。*/、
1.4 管道应用实例
实例一：用于shell
管道可用于输入输出重定向，它将一个命令的输出直接定向到另一个命令的输入。比如，当在某个shell程序（Bourne shell或C shell等）键入who│wc -l后，相应shell程序将创建who以及wc两个进程和这两个进程间的管道。考虑下面的命令行：
$kill -l 系统支持的信号类型。
$kill -l | grep SIGRTMIN 运行结果如下：
30) SIGPWR 31) SIGSYS 32) SIGRTMIN 33) SIGRTMIN+1
34) SIGRTMIN+2 35) SIGRTMIN+3 36) SIGRTMIN+4 37) SIGRTMIN+5
38) SIGRTMIN+6 39) SIGRTMIN+7 40) SIGRTMIN+8 41) SIGRTMIN+9
42) SIGRTMIN+10 43) SIGRTMIN+11 44) SIGRTMIN+12 45) SIGRTMIN+13
46) SIGRTMIN+14 47) SIGRTMIN+15 48) SIGRTMAX-15 49) SIGRTMAX-14
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实例二：用于具有亲缘关系的进程间通信
下面例子给出了管道的具体应用，父进程通过管道发送一些命令给子进程，子进程解析命令，并根据命令作相应处理。
1 #include 2 #include 3 main() 4 { 5 int pipe_fd[2]; 6 pid_t pid; 7 char r_buf[4]; 8 char** w_buf[256]; 9 int childexit=0; 10 int i; 11 int cmd; 12 13 memset(r_buf,0,sizeof(r_buf)); 14 if(pipe(pipe_fd)<0) 15 { 16 printf("pipe create error\n"); 17 return -1; 18 } 19 if((pid=fork())==0) 20 //子进程：解析从管道中获取的命令，并作相应的处理 21 { 22 printf("\n"); 23 close(pipe_fd[1]); 24 sleep(2); 25 26 while(!childexit) 27 { 28 read(pipe_fd[0],r_buf,4); 29 cmd=atoi(r_buf); 30 if(cmd==0) 31 { 32 printf("child: receive command from parent over\n now child process exit\n"); 33 childexit=1; 34 } 35 36 else if(handle_cmd(cmd)!=0) 37 return; 38 sleep(1); 39 } 40 close(pipe_fd[0]); 41 exit(); 42 } 43 else if(pid>0) 44 //parent: send commands to child 45 { 46 close(pipe_fd[0]); 47 w_buf[0]="003"; 48 w_buf[1]="005"; 49 w_buf[2]="777"; 50 w_buf[3]="000"; 51 for(i=0;i<4;i++) 52 write(pipe_fd[1],w_buf[i],4); 53 close(pipe_fd[1]); 54 } 55 } 56 //下面是子进程的命令处理函数（特定于应用）： 57 int handle_cmd(int cmd) 58 { 59 if((cmd<0)||(cmd>256)) 60 //suppose child only support 256 commands 61 { 62 printf("child: invalid command \n"); 63 return -1; 64 } 65 printf("child: the cmd from parent is %d\n", cmd); 66 return 0; 67 }
1.5管道的局限性
- 只支持单向数据流；
- 只能用于具有亲缘关系的进程之间；
- 没有名字；
- 管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；
- 管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等；
2.有名管道概述及相关API应用
2.1 有名管道相关的关键概念
管道应用的一个重大限制是它没有名字，因此，只能用于具有亲缘关系的进程间通信，在有名管道（named pipe或FIFO）提出后，该限制得到了克服。FIFO不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样，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（能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间），因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值得注意的是，FIFO严格遵循先进先出（first in first out），对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。
2.2有名管道的创建
int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode)
该函数的第一个参数是一个普通的路径名，也就是创建后FIFO的名字。第二个参数与打开普通文件的open()函数中的mode 参数相同。如果mkfifo的第一个参数是一个已经存在的路径名时，会返回EEXIST错误，所以一般典型的调用代码首先会检查是否返回该错误，如果确实返回该错误，那么只要调用打开FIFO的函数就可以了。一般文件的I/O函数都可以用于FIFO，如close、read、write等等。
2.3有名管道的打开规则
有名管道比管道多了一个打开操作：open。
FIFO的打开规则：如果当前打开操作是为读而打开FIFO时，若已经有相应进程为写而打开该FIFO，则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO（当前打开操作设置了阻塞标志）；或者，成功返回（当前打开操作没有设置阻塞标志）。如果当前打开操作是为写而打开FIFO时，如果已经有相应进程为读而打开该FIFO，则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO（当前打开操作设置了阻塞标志）；或者，返回ENXIO错误（当前打开操作没有设置阻塞标志）。
2.4有名管道的读写规则
从FIFO中读取数据：约定：如果一个进程为了从FIFO中读取数据而阻塞打开FIFO，那么称该进程内的读操作为设置了阻塞标志的读操作。
- 如果有进程写打开FIFO，且当前FIFO内没有数据，则对于设置了阻塞标志的读操作来说，将一直阻塞。对于没有设置阻塞标志读操作来说则返回-1，当前errno值为EAGAIN，提醒以后再试。
- 对于设置了阻塞标志的读操作说，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；另外就是FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入，不论信写入数据量的大小，也不论读操作请求多少数据量。
- 读打开的阻塞标志只对本进程第一个读操作施加作用，如果本进程内有多个读操作序列，则在第一个读操作被唤醒并完成读操作后，其它将要执行的读操作将不再阻塞，即使在执行读操作时，FIFO中没有数据也一样（此时，读操作返回0）。
- 如果没有进程写打开FIFO，则设置了阻塞标志的读操作会阻塞。
注：如果FIFO中有数据，则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞，此时，读操作会返回FIFO中现有的数据量。
向FIFO中写入数据：约定：如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO，那么称该进程内的写操作为设置了阻塞标志的写操作。
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。如果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，直到当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将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据，写操作在写完所有请求写的数据后返回。
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将不再保证写入的原子性。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。如果当前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；
对FIFO读写规则的验证：
下面提供了两个对FIFO的读写程序，适当调节程序中的很少地方或者程序的命令行参数就可以对各种FIFO读写规则进行验证。
程序1：写FIFO的程序
1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #define FIFO_SERVER "/tmp/fifoserver" 6 main(int argc,char** argv) 7 //参数为即将写入的字节数 8 { 9 int fd; 10 char w_buf[4096*2]; 11 int real_wnum; 12 memset(w_buf,0,4096*2); 13 if((mkfifo(FIFO_SERVER,O_CREAT|O_EXCL)<0)&&(errno!=EEXIST)) 14 printf("cannot create fifoserver\n"); 15 if(fd==-1) 16 if(errno==ENXIO) 17 printf("open error; no reading process\n"); 18 19 fd=open(FIFO_SERVER,O_WRONLY|O_NONBLOCK,0); 20 //设置非阻塞标志 21 //fd=open(FIFO_SERVER,O_WRONLY,0); 22 //设置阻塞标志 23 real_wnum=write(fd,w_buf,2048); 24 if(real_wnum==-1) 25 { 26 if(errno==EAGAIN) 27 printf("write to fifo error; try later\n"); 28 } 29 else 30 printf("real write num is %d\n",real_wnum); 31 real_wnum=write(fd,w_buf,5000); 32 //5000用于测试写入字节大于4096时的非原子性 33 //real_wnum=write(fd,w_buf,4096); 34 //4096用于测试写入字节不大于4096时的原子性 35 36 if(real_wnum==-1) 37 if(errno==EAGAIN) 38 printf("try later\n"); 39 }
程序2：与程序1一起测试写FIFO的规则，第一个命令行参数是请求从FIFO读出的字节数
1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #define FIFO_SERVER "/tmp/fifoserver" 6 main(int argc,char** argv) 7 { 8 char r_buf[4096*2]; 9 int fd; 10 int r_size; 11 int ret_size; 12 r_size=atoi(argv[1]); 13 printf("requred real read bytes %d\n",r_size); 14 memset(r_buf,0,sizeof(r_buf)); 15 fd=open(FIFO_SERVER,O_RDONLY|O_NONBLOCK,0); 16 //fd=open(FIFO_SERVER,O_RDONLY,0); 17 //在此处可以把读程序编译成两个不同版本：阻塞版本及非阻塞版本 18 if(fd==-1) 19 { 20 printf("open %s for read error\n"); 21 exit(); 22 } 23 while(1) 24 { 25 26 memset(r_buf,0,sizeof(r_buf)); 27 ret_size=read(fd,r_buf,r_size); 28 if(ret_size==-1) 29 if(errno==EAGAIN) 30 printf("no data avlaible\n"); 31 printf("real read bytes %d\n",ret_size); 32 sleep(1); 33 } 34 pause(); 35 unlink(FIFO_SERVER); 36 }
程序应用说明：
把读程序编译成两个不同版本：
- 阻塞读版本:br
- 以及非阻塞读版本nbr
把写程序编译成两个四个版本：
- 非阻塞且请求写的字节数大于PIPE_BUF版本：nbwg
- 非阻塞且请求写的字节数不大于PIPE_BUF版本：版本nbw
- 阻塞且请求写的字节数大于PIPE_BUF版本：bwg
- 阻塞且请求写的字节数不大于PIPE_BUF版本：版本bw
下面将使用br、nbr、w代替相应程序中的阻塞读、非阻塞读
验证阻塞写操作：
- 当请求写入的数据量大于PIPE_BUF时的非原子性：
- nbr 1000
- bwg
- 当请求写入的数据量不大于PIPE_BUF时的原子性：
- nbr 1000
- bw
验证非阻塞写操作：
- 当请求写入的数据量大于PIPE_BUF时的非原子性：
- nbr 1000
- nbwg
- 请求写入的数据量不大于PIPE_BUF时的原子性：
- nbr 1000
- nbw
不管写打开的阻塞标志是否设置，在请求写入的字节数大于4096时，都不保证写入的原子性。但二者有本质区别：对于阻塞写来说，写操作在写满FIFO的空闲区域后，会一直等待，直到写完所有数据为止，请求写入的数据最终都会写入FIFO；而非阻塞写则在写满FIFO的空闲区域后，就返回(实际写入的字节数)，所以有些数据最终不能够写入。对于读操作的验证则比较简单，不再讨论。
小结
管道常用于两个方面：（1）在shell中时常会用到管道（作为输入输入的重定向），在这种应用方式下，管道的创建对于用户来说是透明的；（2）用于具有亲缘关系的进程间通信，用户自己创建管道，并完成读写操作。FIFO可以说是管道的推广，克服了管道无名字的限制，使得无亲缘关系的进程同样可以采用先进先出的通信机制进行通信。管道和FIFO的数据是字节流，应用程序之间必须事先确定特定的传输"协议"，采用传播具有特定意义的消息。要灵活应用管道及FIFO，理解它们的读写规则是关键。
附2：对FIFO打开规则的验证(主要验证写打开对读打开的依赖性)
1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #define FIFO_SERVER "/tmp/fifoserver" 6 int handle_client(char*); 7 main(int argc,char** argv) 8 { 9 int r_rd; 10 int w_fd; 11 pid_t pid; 12 if((mkfifo(FIFO_SERVER,O_CREAT|O_EXCL)<0)&&(errno!=EEXIST)) 13 printf("cannot create fifoserver\n"); 14 handle_client(FIFO_SERVER); 15 16 } 17 int handle_client(char* arg) 18 { 19 int ret; 20 ret=w_open(arg); 21 switch(ret) 22 { 23 case 0: 24 { 25 printf("open %s error\n",arg); 26 printf("no process has the fifo open for reading\n"); 27 return -1; 28 } 29 case -1: 30 { 31 printf("something wrong with open the fifo except for ENXIO"); 32 return -1; 33 } 34 case 1: 35 { 36 printf("open server ok\n"); 37 return 1; 38 } 39 default: 40 { 41 printf("w_no_r return ----\n"); 42 return 0; 43 } 44 } 45 unlink(FIFO_SERVER); 46 } 47 int w_open(char*arg) 48 //0 open error for no reading 49 //-1 open error for other reasons 50 //1 open ok 51 { 52 if(open(arg,O_WRONLY|O_NONBLOCK,0)==-1) 53 { if(errno==ENXIO) 54 { 55 return 0; 56 } 57 else 58 return -1; 59 } 60 return 1; 61 62 }
转自：http://blog.chinaunix.net/uid-11848011-id-96385.html
以上是关于Linux管道和命名管道的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章