UNIX环境高级编程——无名管道和有名管道

一、进程间通信

每个进程各自有不同的用户地址空间，任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，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1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2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，InterProcess Communication）。如下图所示。

二、管道是一种最基本的IPC机制，由pipe函数创建：

#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);

调用pipe函数时在内核中开辟一块缓冲区（称为管道）用于通信，它有一个读端一个写端，然后通过filedes参数传出给用户程序两个文件描述符，filedes[0]指向管道的读端，filedes[1]指向管道的写端（很好记，就像0是标准输入1是标准输出一样）。所以管道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。pipe函数调用成功返回0，调用失败返回-1。

开辟了管道之后如何实现两个进程间的通信呢？比如可以按下面的步骤通信。

管道 是单向的，先进先出的。它把一个进程的输出和另一个进程的输入连接在一起。一个进程（写进程）在管道的尾部写入数据，另一个进程（读进程）从管道的头部读出数据。数据被一个进程读出后，将被从管道中删除，其他读进程将不能再读到这些数据。

管道提供了简单的流控制机制：
a. 进程试图读空管道时，进程将阻塞。
b. 管道满时，进程再试图向管道写入数据时，进程也将阻塞。

在使用管道时，通常在调用了pipe后会调用fork，然后在父子进程之间通过pipe来通讯。

当管道的一端被关闭后：
1.  当读一个写端已被关闭的管道时，在所有数据都被读取后， read返回0，以指示达到了文件结束处（从技术方面考虑，管道的写端还有进程时，就不会产生文件的结束。可以复制一个管道的描述符，使得有多个进程具有写打开文件描述符。但是，通常一个管道只有一个读进程，一个写进程）。
2.   如果写一个读端已被关闭的管道，则产生信号SIGPIPE。如果忽略该信号或者捕捉该信号并从其处理程序返回，则write出错返回，errn设置为EPIPE。在写管道时，常数PIPE_BUF规定了内核中管道缓存器的大小。如果对管道进行write调用，而且要求写的字节数小于等于PIPE_BUF，则此操作不会与其他进程对同一管道（或FIFO）的write相交错。但是，若有多个进程同时写一个管道（或FIFO），而且某个或某些进程要求写的字节数超过PIPE_BUF字节数，则数据可能会与其他写操作的数据相交错。

示例程序如下：

#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[])
{
    int pipefd[2];
    if (pipe(pipefd) == -1)
        ERR_EXIT("pipe error");
 
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid == -1)
        ERR_EXIT("fork error");
 
    if (pid == 0)
    {
        close(pipefd[0]);
        write(pipefd[1], "hello", 5);
        close(pipefd[1]);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
 
    close(pipefd[1]);
    char buf[10] = {0};
    read(pipefd[0], buf, 10);
    printf("buf=%s\n", buf);
 
    return 0;
}

1. 父进程调用pipe开辟管道，得到两个文件描述符指向管道的两端。
2. 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。
3. 父进程关闭管道写端，子进程关闭管道读端。子进程可以往管道里写，父进程可以从管道里读，管道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。

三、命名管道

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：

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。

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);

mkfifo函数已隐含指定O_CREAT | O_EXCL。也就是说，它要么创建一个新的FIFO，要么返回一个EEXIST错误（如果所指定名字的FIFO已经存在）。如果不希望创建一个新的FIFO，那么久改用调用open而不是mkfifo。要打开一个已存在的FIFO或创建一个新的FIFO，应先调用mkfifo，再检查它是否返回EEXIST错误，若返回该错误则改为调用open。

在创建出一个FIFO后，它必须或者打开来读，或者打开来写，所用的可以是open函数，也可以是某个标准I/O打开函数，例如fopen。FIFO不能打开来既读又写，因为它是半双工的。

对管道或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。如果对管道或FIFO调用lseek，那就返回ESPIPE错误。

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。

四、命名管道的打开规则

O_RDONLY、O_WRONLY和O_NONBLOCK标志共有四种合法的组合方式：

• flags=O_RDONLY：open将会调用阻塞，除非有另外一个进程以写的方式打开同一个FIFO，否则一直等待。
• flags=O_WRONLY：open将会调用阻塞，除非有另外一个进程以读的方式打开同一个FIFO，否则一直等待。
• flags=O_RDONLY|O_NONBLOCK：如果此时没有其他进程以写的方式打开FIFO，此时open也会成功返回，此时FIFO被读打开，而不会返回错误。
• flags=O_WRONLY|O_NONBLOCK：立即返回，如果此时没有其他进程以读的方式打开，open会失败打开，此时FIFO没有被打开，返回-1。

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。

下面示例命名管道完成拷贝文件的功能：

#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。

#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[])
{
 
    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。

对于FIFO和无名管道的编码区别：

（1）创建并打开一个管道只需调用pipe。创建并打开一个FIFO则需在调用mkfifo后再调用open。

（2）管道在所有进程最终都关闭它之后自动消失。FIFO的名字则只有通过调用unlink才文件系统删除。

       FIFP需要额外调用的好处是：FIFO在文件系统中有一个名字，该名字允许某个进程创建个FIFO，与它无亲缘关系的另一个进程来打开这个FIFO。对于管道来说，这是不可能的。

     系统规定：如果写入的数据长度小于等于PIPE_BUF字节，那么或者写入全部字节，要么一个字节都不写入。
    在非阻塞的write调用情况下，如果FIFO 不能接收所有写入的数据，将按照下面的规则进行：

• 请求写入的数据的长度大于PIPE_BUF字节，调用失败，数据不能被写入。
• 请求写入的数据的长度小于PIPE_BUF字节，将写入部分数据，返回实际写入的字节数，返回值也可能是0。

其中。PIPE_BUF是FIFO的长度，它在头文件limits.h中被定义。在linux或其他类UNIX系统中，它的值通常是4096字节。

注意：PIPE_BUF与FIFO容量是有区别的，PIPE_BUF表示可原子的写往一个管道或FIFO的最大数据量。PIPE_BUF为4096，但是FIFO的容量为65536.

五、删除FIFO文件

FIFO文件使用完毕之后需删除，以免造成垃圾文件。

#include <unistd.h>
int unlink(const char *pathname);