LINUX进程间通信：PIPE与FIFO

PIPE

概述：

int pipe(int pipefd[2]);
调用pipe函数在内核中开辟一块缓冲区(称为管道)用于单向通信,它有一个读端一个写端,然后通过filedes参数传给用户程序两个文件描述符,filedes[0]指向PIPE的读端,filedes[1]指向PIPE的写端。所以在用户程序看起来就像一个打开的文件,通过read(filedes[0]);
或者write(filedes[1]); 向这个文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

创建PIPE的基本步骤：

• 父进程调用pipe 开辟PIPE,得到两个文件描述符指向管道的两端。
• 父进程调用fork 创建子进程,那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。
• 父进程关闭管道读端,子进程关闭管道写端。父进程可以往PIPE里写,子进程可以从PIPE里读,PIPE是用环形队列实现的,数据从写端流入从读端流出,这样就实现了进程间通信

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#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<sys/wait.h> #include<string.h>    int main() {     char buf[20];     pid_t pid;     int fd[2];     int n;        pipe(fd); //创建管道     if ((pid = fork()) < 0) //fork子进程     {         perror("fork error");         exit(-1);     } else if (pid == 0) //子进程中     {         close(fd[1]); //关闭写端         n = read(fd[0],buf,20);         write(STDOUT_FILENO,buf,n);         close(fd[0]); //关闭读端         exit(0);     } else //父进程中     {         close(fd[0]); //关闭读端         write(fd[1],"hello world",strlen("hello world"));         close(fd[1]); //关闭写端         waitpid(pid,NULL,0);         exit(0);     } }

popen函数与pclose函数

标准IO函数库提供了popen函数,它创建一个管道并启动另外一个进程，该进程从该PIPE读出标准输入或将标准输出写入该PIPE。
FILE *popen(const char *command, const char *type);
int pclose(FILE *stream);
popen函数：先执行fork,然后调用exec(sh)以执行command,并且返回一个标准I/O文件指针。(错误返回NULL)
如果type是”r”,则文件指针连接到command的标准输出,(该进程为读段,command所指进程为写端),参数”w”同理.
This command is passed to /bin/sh using the -c flag;
pclose函数：关闭由popen创建的标准I/O流,等待命令执行结束,然后返回shell的终止状态(错误返回-1)

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#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h>    #define PAGER "${PAGER:-more}" //如果shell变量PAGER已经定义而且非空，则使用其值,否则使用字符串more int main() {     char line[100];     FILE *fpin,*fpout;     if ((fpin = fopen("A.txt","r")) == NULL)     {        perror("can't open A.txt");        exit(-1);     }     if ((fpout = popen(PAGER,"w")) == NULL)     {         perror("popen error");         exit(-1);     }     while(fgets(line,100,fpin) != NULL)     {         if (fputs(line,fpout) == EOF)         {             perror("fputs error to pipe");             exit(-1);         }     }     if (pclose(fpout) == -1)         perror("pclose error");     exit(0); }

FIFO

FIFO即是命名PIPE,文件系统中有个路径名与之关联。PIPE只能由有亲缘关系的进程使用,它们共同的祖先进程创建了管道。但是,通过FIFO,不相关的进程也能交换数据

创建FIFO

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
mode为存取许可权(需结合进程的umask).一般的文件I/O函数都可以用于FIFO
mkfifo函数已经隐含指定O_CREAT | O_EXCL,也就是说,要么创建一个新的FIFO，要么返回EEXIST错误(文件已经存在)

删除FIFO

int unlink(const char *pathname);
不同于PIPE，FIFO只有通过unlink才能从文件系统中删除

打开FIFO

int open(const char *pathname, int flags);
使用open函数打开FIFO,默认情况下没有指定O_NONBLOCK标志

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//fifo_write.c #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<string.h> #include<errno.h> #include<fcntl.h> #define FIFO_FILE "/tmp/myfifo"    int main() {     int fd = 0;     int n;     char buf[100];        if ((fd = open(FIFO_FILE,O_WRONLY | O_NONBLOCK)) < 0) //非阻塞方式打开     {         perror("open error");         exit(-1);     }     while (1)     {         fgets(buf,100,stdin);         n = strlen(buf);         if ((n = write(fd,buf,n)) < 0)         {             if (errno == EAGAIN)                 printf("The FIFO has not been read yet.Please try later\n");         }     }     return 0; }    //fifo_read.c #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<sys/types.h> #include<sys/stat.h> #include<fcntl.h> #include<errno.h>    #define FIFO_FILE "/tmp/myfifo"    int main() {     char buf[100];     int n = 0;     int fd;     if ((mkfifo(FIFO_FILE,S_IRWXU) < 0) && (errno != EEXIST)) //如果该fifo文件不存在，创建之     {         perror("mkfifo error");         exit(-1);     }     if ((fd = open(FIFO_FILE,O_RDONLY | O_NONBLOCK)) < 0) //非阻塞方式打开     {         perror("open error");         exit(-1);     }     while (1)     {         if ((n = read(fd,buf,100)) < 0)         {             if (errno == EAGAIN)             {                 printf("No data yet\n");             }         } else write(STDOUT_FILENO,buf,n);         sleep(1); //sleep     }     unlink(FIFO_FILE);     return 0; }

FIFO与PIPE的读写：

(1)对于PIPE或FIFO的write总是往末尾添加数据，对他们的read则总是从开头返回数据。如果对PIPE或FIFO调用lseek,那就返回ESPIPE错误
(2)一个文件描述符能以2中方式设置成非阻塞：(默认为阻塞)
• 调用open是可指定O_NONBLOCK标志
• 如果文件描述符已经打开，那么可以调用fcntl设置O_NONBLOCK标志(PIPE只能采用这种方式)
(3)读写规则：
阻塞(缺省设置):
只读open
• FIFO已经被只写打开：成功返回
• FIFO没有被只写打开：阻塞到FIFO被打开来写
只写open
• FIFO已经被只读打开：成功返回
• FIFO没有被只读打开：阻塞到FIFO被打开来读
从空PIPE或空FIFO中read
• FIFO或PIPE已经被只写打开：阻塞到PIPE或FIFO中有数据或者不再为写打开着
• FIFO或PIPE没有被只写打开：返回0(文件结束符)
write
• FIFO或PIPE已经被只读打开：
写入数据量不大于PIPE_BUF(保证原子性):有足够空间存放则一次性全部写入,没有则进入睡眠，直到当缓冲区中有能够容纳要写入的全部字节数时，才开始进行一次性写操作
写入数据量大于PIPE_BUF(不保证原子性):缓冲区一有空闲区域，进程就会试图写入数据，函数在写完全部数据后返回
• FIFO或PIPE没有被只读打开：给线程产生SIGPIPE(默认终止进程)

O_NONBLOCK设置:
只读open
• FIFO已经被只写打开：成功返回
• FIFO没有被只写打开：成功返回
只写open
• FIFO已经被只读打开：成功返回
• FIFO没有被只读打开：返回ENXIO错误
从空PIPE或空FIFO中read
• FIFO或PIPE已经被只写打开：返回EAGAIN错误
• FIFO或PIPE没有被只写打开：返回0(文件结束符)
write
• FIFO或PIPE已经被只读打开：
写入数据量不大于PIPE_BUF(保证原子性):有足够空间存放则一次性全部写入,没有则返回EAGAIN错误(不会部分写入)
写入数据量大于PIPE_BUF(不保证原子性):有足够空间存放则全部写入,没有则部分写入,函数立即返回
• FIFO或PIPE没有被只读打开：给线程产生SIGPIPE(默认终止进程)

PIPE或FIFO若干额外的规则：
• 如果请求读取的数据量多余当前可用的数据量，那么返回这些可用的数据
• 如果请求写入的数据字节数小于或等于PIPE_BUF,那么write操作保证是原子的(O_NONBLOCK标志的设置对原子性没有影响)
• 当对PIPE或FIFO最后一个关闭时，仍在该PIPE或FIFO上的数据将被丢弃

FIFO与PIPE的限制：

• 它们是半双工的(单向性),即数据只能在一个方向上流动。由进程A流向进程B或由进程B流向进程A。
• PIPE的读写端通过打开的文件描述符来传递,因此要通信的两个进程必须从它们的公共祖先那里继承PIPE文件描述符。FIFO可以实现无关进程间的通信。
• 一个进程在任意时刻打开的最大文件描述符个数OPEN_MAX(通过调用sysconf(_SC_OPEN_MAX)获得)
• 可原子地写往PIPE或FIFO的最大数据量PIPE_BUF(通常定义在limits.h)

小结：

• PIPE普遍用于SHELL中，不过也可以从程序中使用，往往是从子程序向父程序回传信息。使用PIPE时涉及的某些代码(pipe、fork、close、exec和waitpid)可通过使用popen和pclose来避免，由它们处理具体细节并激活一个shell
• FIFO与管道类似，但他们是用mkfifo创建的，之后需要用open打开。打开管道时必须小心，因为有许多规则制约着open的阻塞与否(甚至发生死锁)