命名管道FIFO和mkfifo函数

2024-02-10 08:39:04

进程间通信必须通过内核提供的通道，而且必须有一种办法在进程中标识内核提供的某个通道，前面讲过的匿名管道是用打开的文件描述符来标识的。如果要互相通信的几个进程没有从公共祖先那里继承文件描述符，它们怎么通信呢？内核提供一条通道不成问题，问题是如何标识这条通道才能使各进程都可以访问它？文件系统中的路径名是全局的，各进程都可以访问，因此可以用文件系统中的路径名来标识一个IPC通道。

FIFO和UNIX Domain Socket这两种IPC机制都是利用文件系统中的特殊文件来标识的。

FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅用来标识内核中的一条通道，如 prw-rw-r-- 1 simba simba 0 May 21 10:13 p2，文件类型标识为p表示FIFO，文件大小为0。各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道（根本原因在于这个file结构体所指向的read、write函数和常规文件不一样），这样就实现了进程间通信。UNIX
Domain Socket和FIFO的原理类似，也需要一个特殊的socket文件来标识内核中的通道，例如/run目录下有很多系统服务的socket文件：

srw-rw-rw- 1 root root 0 May 21 09:59 acpid.socket

....................

文件类型s表示socket，这些文件在磁盘上也没有数据块。

一、命名管道（FIFO）

匿名管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。
如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。

命名管道可以从命令行上创建，命令行方法是使用下面这个命令：
$ mkfifo filename
命名管道也可以从程序里创建，相关函数有：
int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);

二、命名管道和匿名管道

匿名管道由pipe函数创建并打开。
命名管道由mkfifo函数创建，打开用open。
FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，这些工作完成之后，它们具有相同的语义。

The only difference between pipes and
FIFOs is the manner in which they are created and opened. Once these
tasks have been accomplished, I/O on pipes and FIFOs has exactly the
same semantics.

三、命名管道的打开规则

如果当前打开操作是为读而打开FIFO时
O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
O_NONBLOCK enable：立刻返回成功
如果当前打开操作是为写而打开FIFO时
O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO

需要注意的是打开的文件描述符默认是阻塞的，大家可以写两个很简单的小程序测试一下，主要也就一条语句

int fd = open("p2", O_WRONLY);
假设p2是命名管道文件，把打开标志换成 O_RDONLY 就是另一个程序了，可以先运行RD程序，此时会阻塞，再在另一个窗口运行WR程序，此时两个程序都会从open返回成功。非阻塞时也不难测试，open时增加标志位就可以了。

需要注意的是命令管道与匿名管道的读写规则是一样的，参见这里。

下面示例命名管道完成拷贝文件的功能：

C++ Code

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/*************************************************************************
    > File Name: process_.c
    > Author: Simba
    > Mail: dameng34@163.com
    > Created Time: Sat 23 Feb 2013 02:34:02 PM CST
************************************************************************/
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>
#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while(0)

int main(int argc, char *argv[])
{
    mkfifo("tp", 0644);
    int infd = open("Makefile", O_RDONLY);
    if (infd == -1)
        ERR_EXIT("open error");

int outfd;
    outfd = open("tp", O_WRONLY);
    if (outfd == -1)
        ERR_EXIT("open error");

char buf[1024];
    int n;
    while ((n = read(infd, buf, 1024)) > 0)
        write(outfd, buf, n);

close(infd);
close(outfd);

return 0;
}

程序使用mkfifo函数创建一个命名管道文件tp，将Makefile 的文件都读取到tp文件中。

C++ Code

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int main(int argc, char *argv[])
{

int outfd = open("Makefile2", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
if (outfd == -1)
ERR_EXIT("open error");

int infd;
    infd = open("tp", O_RDONLY);
    if (infd == -1)
        ERR_EXIT("open error");

char buf[1024];
    int n;
    while ((n = read(infd, buf, 1024)) > 0)
        write(outfd, buf, n);

close(infd);
    close(outfd);
    unlink("tp"); // delete a name and possibly the file it refers to
    return 0;
}

可以看到跟上面的程序是相反的，即从tp读取到Makefile2，完成拷贝文件的功能，这里用到了一个unlink函数，属于inode_operations系列的一个函数，即inode引用计数减1，当引用计数为0且进程已经关闭文件描述符时，文件将被删除。

参考：《APUE》

码农公寓

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