Linux进程通信：命名管道FIFO小结

Linux 下进程之间通信可以用命名管道 FIFO 完成。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。

在程序中，我们可以使用两个不同的函数调用来建立管道：

#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 );

下面先来创建一个管道：

view plainprint?

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <sys/types.h>
4. #include <sys/stat.h>
6. int main()
7. {
8. int res = mkfifo("/tmp/my_fifo", 0777);
9. if (res == 0)
10. {
11. printf("FIFO created/n");
12. }
13. exit(EXIT_SUCCESS);
14. }

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> int main() { int res = mkfifo("/tmp/my_fifo", 0777); if (res == 0) { printf("FIFO created/n"); } exit(EXIT_SUCCESS); }

编译这个程序：

gcc –o fifo1.c fifo

运行这个程序：

$ ./fifo1

用ls命令查看所创建的管道

$ ls -lF /tmp/my_fifo

prwxr-xr-x 1 root root 0 05-08 20:10 /tmp/my_fifo|

注意：ls命令的输出结果中的第一个字符为p，表示这是一个管道。最后的|符号是由ls命令的-F选项添加的，它也表示是这是一个管道。

虽然，我们所设置的文件创建模式为“0777”，但它被用户掩码（umask）设置（022）给改变了，这与普通文件创建是一样的，所以文件的最终模式为755。

打开FIFO一个主要的限制是，程序不能是O_RDWR模式打开FIFO文件进行读写操作，这样做的后果未明确定义。这个限制是有道理的，因为我们使用FIFO只是为了单身传递数据，所以没有必要使用O_RDWR模式。如果一个管道以读/写方式打开FIFO，进程就会从这个管道读回它自己的输出。如果确实需要在程序之间双向传递数据，最好使用一对FIFO，一个方向使用一个。

当一个Linux进程被阻塞时，它并不消耗CPU资源，这种进程的同步方式对CPU而言是非常有效率的。

有关Linux下命名管道FIFO的读写规则可以参见之前所写的一篇文章：Linux命名管道FIFO的读写规则。

一、实验：使用FIFO实现进程间通信

两个独立的程序：

1. 生产者程序，它在需要时创建管道，然后尽可能快地向管道中写入数据。

2. 消费者程序，它从FIFO中读取数据并丢弃它们。

生产者程序fifo2.c：

view plain print ?

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <fcntl.h>
5. #include <limits.h>
6. #include <sys/types.h>
7. #include <sys/stat.h>
9. #define FIFO_NAME "/tmp/Linux/my_fifo"
10. #define BUFFER_SIZE PIPE_BUF
11. #define TEN_MEG (1024 * 1024 * 10)
13. int main()
14. {
15. int pipe_fd;
16. int res;
17. int open_mode = O_WRONLY;
19. int bytes = 0;
20. char buffer[BUFFER_SIZE + 1];
22. if (access(FIFO_NAME, F_OK) == -1)
23. {
24. res = mkfifo(FIFO_NAME, 0777);
25. if (res != 0)
26. {
27. fprintf(stderr, "Could not create fifo %s/n", FIFO_NAME);
28. exit(EXIT_FAILURE);
29. }
30. }
32. printf("Process %d opening FIFO O_WRONLY/n", getpid());
33. pipe_fd = open(FIFO_NAME, open_mode);
34. printf("Process %d result %d/n", getpid(), pipe_fd);
36. if (pipe_fd != -1)
37. {
38. while (bytes < TEN_MEG)
39. {
40. res = write(pipe_fd, buffer, BUFFER_SIZE);
41. if (res == -1)
42. {
43. fprintf(stderr, "Write error on pipe/n");
44. exit(EXIT_FAILURE);
45. }
46. bytes += res;
47. }
48. close(pipe_fd);
49. }
50. else
51. {
52. exit(EXIT_FAILURE);
53. }
55. printf("Process %d finish/n", getpid());
56. exit(EXIT_SUCCESS);
57. }

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <fcntl.h> #include <limits.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #define FIFO_NAME "/tmp/Linux/my_fifo" #define BUFFER_SIZE PIPE_BUF #define TEN_MEG (1024 * 1024 * 10) int main() { int pipe_fd; int res; int open_mode = O_WRONLY; int bytes = 0; char buffer[BUFFER_SIZE + 1]; if (access(FIFO_NAME, F_OK) == -1) { res = mkfifo(FIFO_NAME, 0777); if (res != 0) { fprintf(stderr, "Could not create fifo %s/n", FIFO_NAME); exit(EXIT_FAILURE); } } printf("Process %d opening FIFO O_WRONLY/n", getpid()); pipe_fd = open(FIFO_NAME, open_mode); printf("Process %d result %d/n", getpid(), pipe_fd); if (pipe_fd != -1) { while (bytes < TEN_MEG) { res = write(pipe_fd, buffer, BUFFER_SIZE); if (res == -1) { fprintf(stderr, "Write error on pipe/n"); exit(EXIT_FAILURE); } bytes += res; } close(pipe_fd); } else { exit(EXIT_FAILURE); } printf("Process %d finish/n", getpid()); exit(EXIT_SUCCESS); }

消费者程序fifo3.c：

view plainprint?

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <fcntl.h>
5. #include <limits.h>
6. #include <sys/types.h>
7. #include <sys/stat.h>
9. #define FIFO_NAME "/tmp/Linux/my_fifo"
10. #define BUFFER_SIZE PIPE_BUF
12. int main()
13. {
14. int pipe_fd;
15. int res;
17. int open_mode = O_RDONLY;
18. char buffer[BUFFER_SIZE + 1];
19. int bytes = 0;
21. memset(buffer, '/0', sizeof(buffer));
23. printf("Process %d opeining FIFO O_RDONLY/n", getpid());
24. pipe_fd = open(FIFO_NAME, open_mode);
25. printf("Process %d result %d/n", getpid(), pipe_fd);
27. if (pipe_fd != -1)
28. {
29. do{
30. res = read(pipe_fd, buffer, BUFFER_SIZE);
31. bytes += res;
32. }while(res > 0);
33. close(pipe_fd);
34. }
35. else
36. {
37. exit(EXIT_FAILURE);
38. }
40. printf("Process %d finished, %d bytes read/n", getpid(), bytes);
41. exit(EXIT_SUCCESS);
42. }

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <fcntl.h> #include <limits.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #define FIFO_NAME "/tmp/Linux/my_fifo" #define BUFFER_SIZE PIPE_BUF int main() { int pipe_fd; int res; int open_mode = O_RDONLY; char buffer[BUFFER_SIZE + 1]; int bytes = 0; memset(buffer, '/0', sizeof(buffer)); printf("Process %d opeining FIFO O_RDONLY/n", getpid()); pipe_fd = open(FIFO_NAME, open_mode); printf("Process %d result %d/n", getpid(), pipe_fd); if (pipe_fd != -1) { do{ res = read(pipe_fd, buffer, BUFFER_SIZE); bytes += res; }while(res > 0); close(pipe_fd); } else { exit(EXIT_FAILURE); } printf("Process %d finished, %d bytes read/n", getpid(), bytes); exit(EXIT_SUCCESS); }

编译这两个程序：

gcc –o fifo2 fifo2.c

gcc –o fifo3 fifo3.c

运行这两个程序：

[root@localhost chaper12]# ./fifo2 & à后台执行，写数据

[2] 23121

Process 23121 opening FIFO O_WRONLY

[root@localhost chaper12]# time ./fifo3à读数据

Process 24155 opeining FIFO O_RDONLY

Process 23121 result 3

Process 24155 result 3

Process 23121 finish

Process 24155 finished, 10485760 bytes read

[2]- Done ./fifo2

real 0m0.214s

user 0m0.000s

sys 0m0.179s

以上两个程序均是使用阻塞模式FIFO。Linux会安排好这两个进程之间的调试，使它们在可以运行的时候运行，在不能运行的时候阻塞。因此，写进程将在管道满时阻塞，读进程将在管道空时阻塞。

虚拟机上，time命令显示，读进程只运行了0.2秒的时间，却读取了10M字节的数据。这说明管道在程序之间传递数据是非常有效的。

二、实验：使用FIFO的客户/服务器应用程序

利用FIFO实现一个客户/服务器的应用程序，服务器进程接受请求，对它们进程处理，最后把结果数据返回给发送请求的客户方。

首先建立一个头文件client.h，它定义了客户和服务器程序都要用到的数据结构，并包含了必要的头文件。

view plain print ?

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <fcntl.h>
5. #include <limits.h>
6. #include <sys/types.h>
7. #include <sys/stat.h>
9. #define SERVER_FIFO_NAME "/tmp/Linux/chaper12/server_fifo"
10. #define CLIENT_FIFO_NAME "/tmp/Linux/chaper12/client_%d_fifo"
12. #define BUFFER_SIZE PIPE_BUF
13. #define MESSAGE_SIZE 20
14. #define NAME_SIZE 256
16. typedef struct message
17. {
18. pid_t client_pid;
19. char data[MESSAGE_SIZE + 1];
20. }message;

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <fcntl.h> #include <limits.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #define SERVER_FIFO_NAME "/tmp/Linux/chaper12/server_fifo" #define CLIENT_FIFO_NAME "/tmp/Linux/chaper12/client_%d_fifo" #define BUFFER_SIZE PIPE_BUF #define MESSAGE_SIZE 20 #define NAME_SIZE 256 typedef struct message { pid_t client_pid; char data[MESSAGE_SIZE + 1]; }message;

接下来是服务器程序server.c，在这一部分，是以只读阻塞模式打开服务器管道，用于接收客户发送过来的数据，这些数据采用message结构体封装。

view plain print ?

1. #include "client.h"
3. int main()
4. {
5. int server_fifo_fd;
6. int client_fifo_fd;
8. int res;
9. char client_fifo_name[NAME_SIZE];
11. message msg;
13. char *p;
15. if (mkfifo(SERVER_FIFO_NAME, 0777) == -1)
16. {
17. fprintf(stderr, "Sorry, create server fifo failure!/n");
18. exit(EXIT_FAILURE);
19. }
21. server_fifo_fd = open(SERVER_FIFO_NAME, O_RDONLY);
22. if (server_fifo_fd == -1)
23. {
24. fprintf(stderr, "Sorry, server fifo open failure!/n");
25. exit(EXIT_FAILURE);
26. }
28. sleep(5);
30. while (res = read(server_fifo_fd, &msg, sizeof(msg)) > 0)
31. {
32. p = msg.data;
33. while (*p)
34. {
35. *p = toupper(*p);
36. ++p;
37. }
39. sprintf(client_fifo_name, CLIENT_FIFO_NAME, msg.client_pid);
40. client_fifo_fd = open(client_fifo_name, O_WRONLY);
41. if (client_fifo_fd == -1)
42. {
43. fprintf(stderr, "Sorry, client fifo open failure!/n");
44. exit(EXIT_FAILURE);
45. }
47. write(client_fifo_fd, &msg, sizeof(msg));
48. close(client_fifo_fd);
49. }
51. close(server_fifo_fd);
52. unlink(SERVER_FIFO_NAME);
53. exit(EXIT_SUCCESS);
54. }

#include "client.h" int main() { int server_fifo_fd; int client_fifo_fd; int res; char client_fifo_name[NAME_SIZE]; message msg; char *p; if (mkfifo(SERVER_FIFO_NAME, 0777) == -1) { fprintf(stderr, "Sorry, create server fifo failure!/n"); exit(EXIT_FAILURE); } server_fifo_fd = open(SERVER_FIFO_NAME, O_RDONLY); if (server_fifo_fd == -1) { fprintf(stderr, "Sorry, server fifo open failure!/n"); exit(EXIT_FAILURE); } sleep(5); while (res = read(server_fifo_fd, &msg, sizeof(msg)) > 0) { p = msg.data; while (*p) { *p = toupper(*p); ++p; } sprintf(client_fifo_name, CLIENT_FIFO_NAME, msg.client_pid); client_fifo_fd = open(client_fifo_name, O_WRONLY); if (client_fifo_fd == -1) { fprintf(stderr, "Sorry, client fifo open failure!/n"); exit(EXIT_FAILURE); } write(client_fifo_fd, &msg, sizeof(msg)); close(client_fifo_fd); } close(server_fifo_fd); unlink(SERVER_FIFO_NAME); exit(EXIT_SUCCESS); }

客户端程序client.c，这个程序用于向服务器发送消息，并接收来自服务器的回复。

view plainprint?

1. #include "client.h"
3. int main()
4. {
5. int server_fifo_fd;
6. int client_fifo_fd;
8. int res;
10. char client_fifo_name[NAME_SIZE];
12. message msg;
14. msg.client_pid = getpid();
15. sprintf(client_fifo_name, CLIENT_FIFO_NAME, msg.client_pid);
17. if (mkfifo(client_fifo_name, 0777) == -1)
18. {
19. fprintf(stderr, "Sorry, create client fifo failure!/n");
20. exit(EXIT_FAILURE);
21. }
23. server_fifo_fd = open(SERVER_FIFO_NAME, O_WRONLY);
24. if (server_fifo_fd == -1)
25. {
26. fprintf(stderr, "Sorry, open server fifo failure!/n");
27. exit(EXIT_FAILURE);
28. }
30. sprintf(msg.data, "Hello from %d", msg.client_pid);
31. printf("%d sent %s ", msg.client_pid, msg.data);
32. write(server_fifo_fd, &msg, sizeof(msg));
34. client_fifo_fd = open(client_fifo_name, O_RDONLY);
35. if (client_fifo_fd == -1)
36. {
37. fprintf(stderr, "Sorry, client fifo open failure!/n");
38. exit(EXIT_FAILURE);
39. }
40. res = read(client_fifo_fd, &msg, sizeof(msg));
41. if (res > 0)
42. {
43. printf("received:%s/n", msg.data);
44. }
46. close(client_fifo_fd);
47. close(server_fifo_fd);
48. unlink(client_fifo_name);
50. exit(EXIT_SUCCESS);
51. }

#include "client.h" int main() { int server_fifo_fd; int client_fifo_fd; int res; char client_fifo_name[NAME_SIZE]; message msg; msg.client_pid = getpid(); sprintf(client_fifo_name, CLIENT_FIFO_NAME, msg.client_pid); if (mkfifo(client_fifo_name, 0777) == -1) { fprintf(stderr, "Sorry, create client fifo failure!/n"); exit(EXIT_FAILURE); } server_fifo_fd = open(SERVER_FIFO_NAME, O_WRONLY); if (server_fifo_fd == -1) { fprintf(stderr, "Sorry, open server fifo failure!/n"); exit(EXIT_FAILURE); } sprintf(msg.data, "Hello from %d", msg.client_pid); printf("%d sent %s ", msg.client_pid, msg.data); write(server_fifo_fd, &msg, sizeof(msg)); client_fifo_fd = open(client_fifo_name, O_RDONLY); if (client_fifo_fd == -1) { fprintf(stderr, "Sorry, client fifo open failure!/n"); exit(EXIT_FAILURE); } res = read(client_fifo_fd, &msg, sizeof(msg)); if (res > 0) { printf("received:%s/n", msg.data); } close(client_fifo_fd); close(server_fifo_fd); unlink(client_fifo_name); exit(EXIT_SUCCESS); }

编译程序：

gcc –o server server.c

gcc –o client client.c

测试这个程序，我们需要一个服务器进程和多个客户进程。为了让多个客户进程在同一时间启动，我们使用了shell命令：

[root@localhost chaper12]# ./server &

[26] 5171

[root@localhost chaper12]# for i in 1 2 3 4 5; do ./client & done

[27] 5172

[28] 5173

[29] 5174

[30] 5175

[31] 5176

[root@localhost chaper12]# 5172 sent Hello from 5172 received:HELLO FROM 5172

5173 sent Hello from 5173 received:HELLO FROM 5173

5174 sent Hello from 5174 received:HELLO FROM 5174

5175 sent Hello from 5175 received:HELLO FROM 5175

5176 sent Hello from 5176 received:HELLO FROM 5176

分析这个例子，服务器以只读模式创建它的FIFO并阻塞，直到第一个客户以写方式打开同一现个FIFO来建立连接为止。此时，服务器进程解除阻塞并执行sleep语句，这使得来自客户的数据排除等候。在实际应用程序中，应该把sleep语句删除，这里面只是为了演示当有多个客户请求同时到达时，程序的正确操作方法。

与此同时，在客户端打开服务器FIFO后，它创建自己唯一的一个命名管道以读取服务器返回的数据。完成这些工作后，客户发送数据给服务器（如果管道满或服务器仍处于休眠就阻塞），并阻塞于对自己FIFO的read调用上，等待服务器响应。

接收到来自客户的数据后，服务器处于它，然后以写的方式打开客户管道并将处理后的数据返回，这将解除客户端的阻塞状态，客户程序就可以从自己的管道里面读取服务器返回的数据了。

整个处理过程不断重复，直到最后一个客户关闭服务器管道为止，这将使服务器的read调用失败（返回0），因为已经没有进程以写方式打开服务器管道了。如果这是一个真正的服务器进程的话，它还需要继续等待其他客户的请求，我们就需要对它进行修改，有两种方法：

（1）对它自己的服务器管道打开一个文件描述符，这样read调用将阻塞而不是返回0。

（2）当read调用返回0时，关闭并重新打开服务器管道，使服务器进程阻塞在open调用处以等待客户的到来，就像它最初启动时那样。