Linux系统编程——进程间通信：命名管道（FIFO）

Posted 2020-07-03 Brenda

命名管道的概述

无名管道，因为没有名字，仅仅能用于亲缘关系的进程间通信（很多其它详情。请看《无名管道》）。为了克服这个缺点。提出了命名管道（FIFO）。也叫有名管道、FIFO 文件。

命名管道（FIFO）不同于无名管道之处在于它提供了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，仅仅要可以訪问该路径。就行彼此通过 FIFO 相互通信，因此，通过 FIFO 不相关的进程也能交换数据。

命名管道（FIFO)和无名管道（pipe）有一些特点是同样的，不一样的地方在于:

1、FIFO 在文件系统中作为一个特殊的文件而存在，但 FIFO 中的内容却存放在内存中。

2、当使用 FIFO 的进程退出后。FIFO 文件将继续保存在文件系统中以便以后使用。

3、FIFO 有名字。不相关的进程能够通过打开命名管道进行通信。

命名管道的创建

所需头文件：

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int mkfifo( const char *pathname, mode_t mode);

功能：

命名管道的创建。

參数：

pathname: 普通的路径名，也就是创建后 FIFO 的名字。

mode: 文件的权限，与打开普通文件的 open() 函数中的 mode 參数同样，相关说明请点此链接。

返回值：

成功：0
失败：假设文件已经存在。则会出错且返回 -1。

演示样例代码例如以下：

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

int main(int argc, char *argv[])
{
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666); // 创建命名管道
	if(ret != 0){	// 出错
		perror("mkfifo");
	}
	
	return 0;
}

执行结果例如以下：

命名管道的默认操作

后期的操作。把这个命名管道当做普通文件一样进行操作：open()、write()、read()、close()。

可是。和无名管道一样，操作命名管道肯定要考虑默认情况下其堵塞特性。

以下验证的是默认情况下的特点。即 open() 的时候没有指定非堵塞标志( O_NONBLOCK )。

1）

open() 以仅仅读方式打开 FIFO 时，要堵塞到某个进程为写而打开此 FIFO
open() 以仅仅写方式打开 FIFO 时，要堵塞到某个进程为读而打开此 FIFO。

简单一句话，仅仅读等着仅仅写，仅仅写等着仅仅读，仅仅有两个都运行到，才会往下运行。

仅仅读端代码例如以下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666);
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	printf("before open\n");
	fd = open("my_fifo", O_RDONLY);//等着仅仅写
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	
	printf("after open\n");
	
	return 0;
}

仅仅写端代码例如以下

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666);
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	printf("before open\n");
	fd = open("my_fifo", O_WRONLY); //等着仅仅读
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	
	printf("after open\n");
	
	return 0;
}

大家开启两个终端。分别编译以上代码，读端程序和写端程序各自执行，例如以下图，大家自行验证其特点，由于光看结果图是没有效果，大家须要分析其执行过程是怎样变化。

假设大家不想在 open() 的时候堵塞。我们能够以可读可写方式打开 FIFO 文件。这样 open() 函数就不会堵塞。

// 可读可写方式打开
int fd = open("my_fifo", O_RDWR);

2）假如 FIFO 里没有数据，调用 read() 函数从 FIFO 里读数据时 read() 也会堵塞。这个特点和无名管道是一样的。

写端代码例如以下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666);//创建命名管道
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	printf("before open\n");
	fd = open("my_fifo", O_WRONLY); //等着仅仅读
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	printf("after open\n");
	
	printf("before write\n");
	// 5s后才往命名管道写数据，没数据前。读端read()堵塞
	sleep(5);
	char send[100] = "Hello Mike";
	write(fd, send, strlen(send));
	printf("write to my_fifo buf=%s\n", send);
	
	return 0;
}

读端代码例如以下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666); //创建命名管道
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	printf("before open\n");
	fd = open("my_fifo", O_RDONLY);//等着仅仅写
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	printf("after open\n");
	
	printf("before read\n");
	char recv[100] = {0};
	
	//读数据，命名管道没数据时会堵塞。有数据时就取出来
	read(fd, recv, sizeof(recv)); 
	printf("read from my_fifo buf=[%s]\n", recv);
	
	return 0;
}

请依据下图自行编译执行验证：

3）通信过程中若写进程先退出了。就算命名管道里没有数据，调用 read() 函数从 FIFO 里读数据时不堵塞；若写进程又又一次执行，则调用 read() 函数从 FIFO 里读数据时又恢复堵塞。

写端代码例如以下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666); // 创建命名管道
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	fd = open("my_fifo", O_WRONLY); // 等着仅仅读
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	
	char send[100] = "Hello Mike";
	write(fd, send, strlen(send));	//写数据
	printf("write to my_fifo buf=%s\n",send);
	
	while(1); // 堵塞，保证读写进程保持着通信过程
	
	return 0;
}

读端代码例如以下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666);// 创建命名管道
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	fd = open("my_fifo", O_RDONLY);// 等着仅仅写
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	
	while(1)
	{
		char recv[100] = {0};
		read(fd, recv, sizeof(recv)); // 读数据
		printf("read from my_fifo buf=[%s]\n",recv);
		sleep(1);
	}
	
	return 0;
}

请依据下图自行编译执行验证：

5）通信过程中，读进程退出后，写进程向命名管道内写数据时，写进程也会（收到 SIGPIPE 信号）退出。

6）调用 write() 函数向 FIFO 里写数据，当缓冲区已满时 write() 也会堵塞。

5）和 6）这两个特点和无名管道是一样的，这里不再验证。详情请看《无名管道》。

命名管道非堵塞标志操作

命名管道能够以非堵塞标志（O_NONBLOCK）方式打开：

fd = open("my_fifo", O_WRONLY|O_NONBLOCK);
fd = open("my_fifo", O_RDONLY|O_NONBLOCK);

非堵塞标志（O_NONBLOCK）打开的命名管道有下面特点：
1、先以仅仅读方式打开。假设没有进程已经为写而打开一个 FIFO, 仅仅读 open() 成功。而且 open() 不堵塞。

2、先以仅仅写方式打开。假设没有进程已经为读而打开一个 FIFO。仅仅写 open() 将出错返回 -1。

3、read()、write() 读写命名管道中读数据时不堵塞。

请依据下面代码自行编译执行验证。

写端代码例如以下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666); // 创建命名管道
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	// 仅仅写并指定非堵塞方式打开
	fd = open("my_fifo", O_WRONLY|O_NONBLOCK);
	if(fd<0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	
	char send[100] = "Hello Mike";
	write(fd, send, strlen(send));
	printf("write to my_fifo buf=%s\n",send);
	while(1);
	
	return 0;
}

读端代码例如以下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666); // 创建命名管道
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	// 仅仅读并指定非堵塞方式打开
	fd = open("my_fifo", O_RDONLY|O_NONBLOCK);
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	
	while(1)
	{
		char recv[100] = {0};

		read(fd, recv, sizeof(recv));
		printf("read from my_fifo buf=[%s]\n",recv);
		sleep(1);
	}
	
	return 0;
}

本教程演示样例代码下载请点此处。