Linux 进程间通信之管道(pipe),(fifo)

Posted 2020-09-22 mingfeng002

 无名管道(pipe)

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；

定义函数： int pipe（int filedes［2］）

filedes［0］为管道里的读取端

filedes［1］则为管道的写入端。

实现机制：

管道是由内核管理的一个缓冲区，相当于我们放入内存中的一个纸条。管道的一端连接一个进程的输出。这个进程会向管道中放入信息。管道的另一端连接一个进程的输入，这个进程取出被放入管道的信息。一个缓冲区不需要很大，它被设计成为环形的数据结构，以便管道可以被循环利用。当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会等待，直到另一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。

 

 

 

 

 

从原理上，管道利用fork机制建立，从而让两个进程可以连接到同一个PIPE上。最开始的时候，上面的两个箭头都连接在同一个进程Process 1上(连接在Process 1上的两个箭头)。当fork复制进程的时候，会将这两个连接也复制到新的进程(Process 2)。随后，每个进程关闭自己不需要的一个连接 (两个黑色的箭头被关闭; Process 1关闭从PIPE来的输入连接，Process 2关闭输出到PIPE的连接)，这样，剩下的红色连接就构成了如上图的PIPE

 

一、管道读写注意点

1.必须在系统调用fork之前调用pipe，否则子进程不会继承文件描述符

2.只有在管道读端存在时，向管道写入才有意义；否则，会收到内核中的出错信号：SIFPIPE只有在管道读端存在时，向管道写入才有意义；否则，会收到内核中的出错信号：SIFPIPE

3.向管道写入数据时不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就试图向其写入内容。若读进程不读取管道中的内容，则写进程会一直阻塞。

4.父子进程在运行时，它们的先后顺序得不到保证。因此在这里，为保证父进程关闭读描述符，可向子进程加入sleep(2)。

二、实例

1.无名管道

/*pipe_rw.c*/
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int pipe_fd[2];
    pid_t pid;
    char buf_r[100];
    char* p_wbuf;
    int r_num;
    memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
    if(pipe(pipe_fd)<0)
    {
    printf("pipe create error\\n");
    return -1;
    }
    if((pid=fork())==0)    //若是子进程
    {
        printf("\\n");
        /*关闭子进程管道写端。睡眠2秒，确保父进程已相应地关闭了管道读端*/
        close(pipe_fd[1]);
        sleep(2);
        /*子进程读取管道内容*/
        if((r_num=read(pipe_fd[0],buf_r,100))>0){
            printf(   "%d numbers read from the pipe is %s\\n",r_num,buf_r);
        }    
        /*关闭子进程读端*/
        close(pipe_fd[0]);
        exit(0);
      }
    else if(pid>0)
    {    /*关闭父进程读端*/
        close(pipe_fd[0]);
        /*分两次向管道写入数据*/
        if(write(pipe_fd[1],"Hello",5)!=-1)
            printf("parent write1 success!\\n");
        if(write(pipe_fd[1]," Pipe",5)!=-1)
            printf("parent write2 success!\\n");
        /*关闭父进程写端并睡眠3秒，让子进程读数据*/
        close(pipe_fd[1]);
        sleep(3);
        /*收集子进程退出信息*/
        waitpid(pid,NULL,0);
        exit(0);
    }
}

运行结果如下：

[root@localhost ipc]# ./pipe_rw 
parent write1 success!  
parent write2 success!  
10 numbers read from the pipe is Hello Pipe

2.命名管道(named PIPE)

由于基于fork机制，所以管道只能用于父进程和子进程之间，或者拥有相同祖先的两个子进程之间 (有亲缘关系的进程之间)。为了解决这一问题，Linux提供了FIFO方式连接进程。FIFO又叫做命名管道(named PIPE)。

FIFO (First in, First out)为一种特殊的文件类型，它在文件系统中有对应的路径。当一个进程以读(r)的方式打开该文件，而另一个进程以写(w)的方式打开该文件，那么内核就会在这两个进程之间建立管道，所以FIFO实际上也由内核管理，不与硬盘打交道。之所以叫FIFO，是因为管道本质上是一个先进先出的队列数据结构，最早放入的数据被最先读出来，从而保证信息交流的顺序。FIFO只是借用了文件系统(file system,命名管道是一种特殊类型的文件，因为Linux中所有事物都是文件，它在文件系统中以文件名的形式存在。)来为管道命名。写模式的进程向FIFO文件中写入，而读模式的进程从FIFO文件中读出。当删除FIFO文件时，管道连接也随之消失。FIFO的好处在于我们可以通过文件的路径来识别管道，从而让没有亲缘关系的进程之间建立连接

函数原型：

 

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

int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);
int mknode(const char *filename, mode_t mode | S_IFIFO, (dev_t) 0 );

其中pathname是被创建的文件名称，mode表示将在该文件上设置的权限位和将被创建的文件类型(在此情况下为S_IFIFO)，dev是当创建设备特殊文件时使用的一个值。因此，对于先进先出文件它的值为0。

FIFO读写规则

1.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了FIFO，那么称该进程内的读操作为设置了阻塞标志的读操作

2.从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。

 

一旦创建了了FIFO，就可open去打开它，可以使用open，read，close等去操作FIFO 当打开FIFO时，非阻塞标志（O_NONBLOCK）将会对读写产生如下影响：

1、没有使用O_NONBLOCK：访问要求无法满足时进程将阻塞。如试图读取空的FIFO，将导致进程阻塞；

2、使用O_NONBLOCK：访问要求无法满足时不阻塞，立即出错返回，errno是ENXIO；

 

/*fifo_write.c*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define FIFO_SERVER "/tmp/myfifo"

main(int argc,char** argv)
{
    int fd;
    char w_buf[100];
    int nwrite;
    
    if(fd==-1)
        if(errno==ENXIO)
            printf("open error; no reading process\\n");
    /*打开有名管道，并设置为非阻塞*/
    fd=open(FIFO_SERVER,O_WRONLY|O_NONBLOCK,0);
    if(argc==1)
        printf("Please send something\\n");
    strcpy(w_buf,argv[1]);
    /*向管道写入字符串*/
    if((nwrite=write(fd,w_buf,100))==-1)
    {
        if(errno==EAGAIN)
            printf("The FIFO has not been read yet.Please try later\\n");
    }
    else 
        printf("write %s to the FIFO\\n",w_buf);
}


/*fifo_read.c*/

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define FIFO "/tmp/myfifo"

main(int argc,char** argv)
{
    char buf_r[100];
    int  fd;
    int  nread;
    
    /*创建有名管道,并设置相应的权限*/
    if((mkfifo(FIFO,O_CREAT|O_EXCL)<0)&&(errno!=EEXIST))
        printf("cannot create fifoserver\\n");
    printf("Preparing for reading bytes...\\n");
    
    memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
    /*打开有名管道，并设置非阻塞标志*/
    fd=open(FIFO,O_RDONLY|O_NONBLOCK,0);
    if(fd==-1)
    {
        perror("open");
        exit(1);    
    }
    while(1)
    {
        memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
        /*读取管道中的字符串*/
        if((nread=read(fd,buf_r,100))==-1){
            if(errno==EAGAIN)
                printf("no data yet\\n");
        }
        printf("read %s from FIFO\\n",buf_r);
        sleep(1);
    }    
    pause();
    unlink(FIFO);//这个谁mkfifo创建谁释放 
}

运行结果：

终端1：

[root@localhost ipc]# ./fifo_write 123123  
write 123123 to the FIFO  

终端2：

[root@localhost ipc]# ./fifo_read
Preparing for reading bytes...
read  from FIFO
read  from FIFO
read  from FIFO
read  from FIFO
read  from FIFO
read 123123 from FIFO
read  from FIFO

 

总结：

      1.read没有数据read阻塞，read读取后数据被删除

      2.数据有序，安装写入的顺序

      3.打开的描述符号可以读写(two-way)

      4.管道文件关闭后，数据不持久

      5.管道的数据在内核缓冲

      6.有名管道的名字仅仅是内核识别是否放回同一个fd的标识