Linux 系统编程 学习：02-进程间通信1：Unix IPC（1）管道

背景

上一讲我们介绍了创建子进程的方式。我们都知道，创建子进程是为了与父进程协作（或者是为了执行新的程序，参考 Linux exec族函数解析 ）

我们也知道，进程之间的资源在默认情况下是无法共享的，所以我们需要借助系统提供的 进程间通信(IPC, InterProcess Communication) 有关的接口。

进程间通信

由于进程间的地址空间相对独立。进程与进程间不能像线程间通过全局变量通信，所以进程之间要交换数据必须通过内核。

在内核中开辟一块缓冲区，进程A把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程B再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信。

IPC的方式通常有：

• Unix IPC包括：管道(pipe)、命名管道(FIFO)与信号(Signal)
• System V IPC：消息队列、信号量、共享内存
• Socket（支持不同主机上的两个进程IPC）

我们在这一讲介绍Unix IPC，包括：管道(pipe)、命名管道(FIFO)与信号(Signal)。

注意：对于管道来说，只有读端存在，写端才有意义；如果读端不在，写端向FIFO或者PIPE写数据，内核将向对应的进程发送SIGPIPE信号（默认终止进程）。

无名管道(pipe)

无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式，内部是用环形队列实现的。

在 Linux 中，管道的实现并没有使用专门的数据结构，而是借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。通过将两个 file 结构指向同一个临时的 VFS 索引节点，而这个 VFS 索引节点又指向一个物理页面而实现的。

特点：

1）无名,在文件系统中找不到它的存在，只存在于内存中。

2）必须得是亲缘关系的进程（父子，兄弟，祖孙等）

3）操作是不具备原子性（即,不具备完整性）

4）不能用lseek来定位

5）半双工（读写只能一端进行,另一端等待），具有固定的读端和写端。

6）具备阻塞（有读者有写者，当读没有数据或者是写满了的时候会卡在那里等待）

使用下面的函数创建 pipe管道。用于亲缘进程通信，其他操作与普通文件相同。

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

#define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */

#include <fcntl.h>              /* Obtain O_* constant definitions */

#include <unistd.h>

int pipe2(int pipefd[2], int flags); //

/*

flags 包括O_CLOEXEC、O_DIRECT、O_NONBLOCK。

- CLOEXEC：close-on-exec即当调用exec（）函数成功后，文件描述符会自动关闭

- O_DIRECT：任何读写操作都只在用户态地址空间和磁盘之间传送而不经过page cache

- O_NONBLOCK：非阻塞模式，在读取不到数据或是写入缓冲区已满会马上return,而不会阻塞等待。

*/

成功：返回0,同时为 pipefd 赋值。

• pipefd[0]：读端
• pipefd[1]：写端

失败：返回-1

读写情况：

读

• 有数据时，无论有无写者(持有文件可写权限的描述符的进程，无的意思是指：进程退出，不再持有对应的fd；下同)都能够正常读；
• 无数据时：如果 有 写者,则阻塞等待；如果 无 写着,则立即返回。

写

• 如果 有 读者(读者,持有文件可读权限的描述符的进程)：缓冲未满,正常写入；缓冲已满,阻塞等待。
• 如果 无 读者，无论缓冲区如何，立即收到 SIGPIPE 信号（可以通过先注册的信号捕获 SIGPIPE 进行处理,默认是终止进程）

匿名管道 原理

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。

匿名管道如何实现亲缘进程间的通信

1）父进程创建管道,得到两个文件描述符指向管道的两端。

2）父进程fork出子进程,子进程也有两个文件描述符指向同一管道。

3）写进程关闭 pipefd[0],读进程关闭 pipefd[1]（因为管道只支持单向通信，关闭会比较好）。

数据从写端流入从读端流出,这样就实现了进程间通信。

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

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

{

    pid_t pid = -1;

    int i;

    int ret;

    int status;

    char buffer[20]={'a', 0};

    int pipefd[2] = {0};

    ret = pipe(pipefd);

    if(!ret)

    {

        printf("Reader fd is : %d\n",pipefd[0]);

        printf("Writer fd is : %d\n",pipefd[1]);

    }

    pid = fork();

    if(pid == 0)

    {

        printf("Son as reader\n");

        close(pipefd[1]);// 关闭写端

        for (i = 0; i < 5; ++i) {

            read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));

            printf("%s\n", buffer);

        }

        exit(0xaa);

    }else if(pid > 0)

    {

        sleep(1);

        printf("Father as Writer\n");

        close(pipefd[0]);// 关闭读端

        for (i = 0; i < 5; ++i) {

            write(pipefd[1], buffer, sizeof(buffer));

            buffer[i] = 'a' + i;

        }

        ret = wait(&status);

        printf("%x\n", WEXITSTATUS(status));

    }

    return 0;

}

命名管道(fifo)

FIFO (First in, First out)为一种特殊的文件类型（通过 stat 结构的 st_mode 成员可以知道文件是否是 FIFO 类型，可以用 S_ISFIFO 宏对此进行测试），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

FIFO 存在于文件系统中，内容存放在内存中，如果使用 ls -l 观察时,它的文件大小永远是0。

实际上，Linux中的命令的 " | " 就是 fifo。

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，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；

创建 FIFO 类似于创建文件，它名字对应于一个磁盘索引节点，有了这个文件名，任何进程有相应的权限都可以对它进行访问。它。()

FIFO严格遵循先进先出(first in first out), 对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。

Linux中通过系统调用mknod()或makefifo()来创建一个命名管道。最简单的方式是通过直接使用shell：mkfifo myfifo(等价于mknod myfifo p)

特点

1）有名

2）任一个进程都可以交互

3）会诞生一个类型p的管道文件

4）操作具备原子性

5）全双工

6）不能lseek来定位

使用下面的函数创建 fifo。读写之前必须先open。

mkfifoat 中的 dirfd 请参考： dirfd参数 有关解析

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

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

#include <fcntl.h>           /* Definition of AT_* constants */

#include <sys/stat.h>

int mkfifoat(int dirfd, const char *pathname, mode_t mode); 

参数解析

mode ：参数的说明同 open 的 mode 相同。如果open时没有使用O_NONBLOCK参数，不论读端还是写端先打开,先打开者都会阻塞,一直阻塞到另一端打开。

当 open 一个 FIFO，非阻塞标志 O_NONBLOCK 会产生下列影响：

• 在没有指定该标志的情况下，只读 open 要阻塞到某个其他进程为写而打开这个 FIFO 为止，只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它为止。
• 指定了该标志时，则只读 open 立即返回。但如果没有进程为读而打开一个 FIFO，那么只写 open 将返回 -1，并将 errno 设置成 ENXIO。
  
  类似于管道，
• 若 write 一个尚无进程为读而打开的 FIFO，则产生信号 SIGPIPE。
• 若某个 FIFO 的最后一个写进程关闭了该 FIFO，则将为该 FIFO 的读进程产生一个文件结束标志。
• 一个给定的 FIFO 可能有多个写进程，如果不希望多个进程所写的数据交叉，则必须考虑原子写操作，可被原子地写到 FIFO 的最大数据量也是通过常量 PIPE_BUF 来指定的。

如果mkfifo的路径已经存在时,会返回EEXIST错误,所以一般典型的调用代码首先会检查是否返回该错误,如果确实返回该错误,那么只要调用打开FIFO的函数就可以了。

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

#include <errno.h>

#define FIFO_FILE "fifo_test"

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

{

    pid_t pid = -1;

    int i;

    int ret;

    int status;

    char buffer[20]={'a', 0};

    int fd = 0;

    ret = mkfifo(FIFO_FILE, S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH);

    if(ret == -1)

    {

        if(errno == EEXIST)

        {

            printf("FIFO FILE existed.\n");

        }else

        {

            perror("fifo");

            return -1;

        }

    }

    pid = fork();

    if(pid == 0)

    {

        printf("Son as reader\n");

        printf("[Son] Waiting Writer\n");

        fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY);

        printf("Reader Pass\n");

        for (i = 0; i < 5; ++i) {

            read(fd, buffer, sizeof(buffer));

            printf("%s\n", buffer);

        }

        exit(0xaa);

    }else if(pid > 0)

    {

        sleep(1);

        printf("Father as Writer\n");

        printf("[Dad] Waiting Reader\n");

        fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY);

        printf("Writer pass\n");

        for (i = 0; i < 5; ++i) {

            write(fd, buffer, sizeof(buffer));

            buffer[i] = 'a' + i;

        }

        ret = wait(&status);

        printf("%x\n", WEXITSTATUS(status));

    }

    return 0;

}