Linux 进程间通信（一）（经典IPC：管道、FIFO）

管道

管道是Unix系统IPC的最古老方式，有两种局限性：

（1）   历史上它们是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），虽然现在某些系统提供了全双工管道，但是为了可移植性，不要抱有绝对的全双工假设。

（2）   管道只能在具有公共祖先的两个进程之间使用（一般都是用于父子进程之间）。

管道是通过调用pipe函数创建的：

#include <unistd.h>

int pipe(int fd[2]);

返回值：成功，返回0；失败，返回-1

说明：

fd返回两个文件描述符：fd[0]用于读，fd[1]用于写，fd[1]的输出刚好是fd[0]的输入。

即shell为每一条命令单独创建一个进程，然后管道将前一条命令的标准输出与后一条命令的标准输入相连接。

注：

POSIX.1允许实现支持全双工管道，对于这些实现，fd[0]和fd[1]以读/写方式打开。

如下给出了两种描绘半双工管道的方法，左图中管道的两端在一个进程中相互连接，右图中则强调数据需要通过内核在管道中流动：

管道通常在单个进程中没有太大用处，下图显示了父子进程之间的管道：进程先调用pipe，接着调用fork，从而创建从父进程到子进程的IPC管道：

fork之后具体要做什么取决于我们想要的数据流的方向。对于从父进程到子进程的管道，父进程关闭管道的读端（fd[0]），子进程关闭管道的写端（fd[1]）：

当管道的一端被关闭后，下列两条规则起作用：

（1）   当read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，表示文件结束。

（2）   当write一个读端已被关闭的管道时，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返回-1，errno设置为EPIPE。

如下为管道程序实例：

实例一：创建一个从父进程到子进程的管道，并且父进程经由该管道向子进程传送数据：

 [root@benxintuzi ipc]# cat pipe1.c
 #include <unistd.h>
 #include <stdio.h>

 #define MAXLINE 1024

 int main(void)
 {
         int             n;
         int             fd[];
         pid_t   pid;
         char    line[MAXLINE];

         if (pipe(fd) < )
                 printf("pipe error\n");
         if ((pid = fork()) < ) {
                 printf("fork error\n");
         } else if (pid > ) {           /* parent */
                 close(fd[]);
                 write(fd[], "hello world\n", );              /* write data to fd[1] */
         } else {                                        /* child */
                 close(fd[]);
                 n = read(fd[], line, MAXLINE);                 /* read data from fd[0] */
                 write(STDOUT_FILENO, line, n);                  /* write data to standard output */
         }

         return ();
 }

 [root@benxintuzi ipc]# ./pipe1
 [root@benxintuzi ipc]# hello world

 [root@benxintuzi ipc]#

实例二：编写一个程序，其功能是每次一页地显示已产生的输出。为了避免先将所有数据写到一个临时文件中，然后再调用系统中有关程序显示该文件，我们希望通过管道将输出直接送到分页程序。为此，先创建一个管道，fork一个子进程，使子进程的标准输入成为管道的读端，然后调用exec，执行分页程序：（说明点：1. 在调用fork之前，先创建一个管道。调用fork之后，父进程关闭读端，子进程关闭写端，然后子进程调用dup2，使其标准输入成为管道的读端。当执行分页程序时，其标准输入就是管道的读端了; 2. 我们使用环境变量PAGER来获得用户分页程序名，如果没有成功，则使用系统默认值，这是环境变量的常见用法。）

 [root@benxintuzi ipc]# cat pipe2.c
 #include <unistd.h>
 #include <sys/wait.h>
 #include <stdio.h>

 #define DEF_PAGER       "/bin/more"             /* default pager program */
 #define MAXLINE 1024

 int main(int argc, char *argv[])
 {
         int             n;
         int             fd[];
         pid_t   pid;
         char    *pager, *argv0;
         char    line[MAXLINE];
         FILE    *fp;

         if (argc != )
         {
                 printf("usage: a.out <pathname>\n");
                 return (-);
         }

         if ((fp = fopen(argv[], "r")) == NULL)
                 printf("can't open %s\n", argv[]);
         if (pipe(fd) < )
                 printf("pipe error\n");

         if ((pid = fork()) < ) {
                 printf("fork error\n");
         } else if (pid > ) {                                             /* parent */
                 close(fd[]);           /* close read end */

                 /* parent copies argv[1] to pipe */
                 while (fgets(line, MAXLINE, fp) != NULL) {
                         n = strlen(line);
                         if (write(fd[], line, n) != n)
                                 printf("write error to pipe\n");
                 }
                 if (ferror(fp))
                         printf("fgets error\n");

                 close(fd[]);   /* close write end of pipe for reader */

                 if (waitpid(pid, NULL, ) < )
                         printf("waitpid error\n");
                 return ();
         } else {                                                          /* child */
                 close(fd[]);   /* close write end */
                 if (fd[] != STDIN_FILENO) {
                         if (dup2(fd[], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO)
                                 printf("dup2 error to stdin\n");
                         close(fd[]);   /* don't need this after dup2 */
                 }

                 /* get arguments for execl() */
                 if ((pager = getenv("PAGER")) == NULL)
                         pager = DEF_PAGER;
                 if ((argv0 = strrchr(pager, '/')) != NULL)
                         argv0++;                /* step past rightmost slash */
                 else
                         argv0 = pager;  /* no slash in pager */

                 if (execl(pager, argv0, (char *)) < )
                         printf("execl error for %s\n", pager);
         }
         return ();
 }
 [root@benxintuzi ipc]# ./pipe2 pipe2.c
 #include <unistd.h>
 #include <sys/wait.h>
 #include <stdio.h>

 #define DEF_PAGER       "/bin/more"             /* default pager program */
 #define MAXLINE 1024

 int main(int argc, char *argv[])
 {
         int             n;
         int             fd[];
         pid_t   pid;
         char    *pager, *argv0;
         char    line[MAXLINE];
         FILE    *fp;

         if (argc != )
         {
                 printf("usage: a.out <pathname>\n");
                 return (-);
         }

         if ((fp = fopen(argv[], "r")) == NULL)
                 printf("can't open %s\n", argv[]);
         if (pipe(fd) < )
                 printf("pipe error\n");

         if ((pid = fork()) < ) {
                 printf("fork error\n");
         } else if (pid > ) {                                             /* parent */
                 close(fd[]);           /* close read end */

                 /* parent copies argv[1] to pipe */
                 while (fgets(line, MAXLINE, fp) != NULL) {
 --More--

实例三：父子进程同步函数的管道实现：TELL_WAIT、TELL_PARENT、TELL_CHILD、WAIT_PARENT、WAIT_CHILD：（说明点：父进程在调用TELL_CHILD时，经由上一个管道写一个字符“p”，子进程在调用TELL_PARENT时，经由下一个管道写一个字符“c”，相应的WAIT_XXX函数调用read读一个字符，没有读到字符时则阻塞）

 static int    pfd1[], pfd2[];

 void TELL_WAIT(void)
 {
     if (pipe(pfd1) <  || pipe(pfd2) < )
         printf("pipe error\n");
 }

 void TELL_PARENT(pid_t pid)
 {
     if (write(pfd2[], "c", ) != )
         printf("write error\n");
 }

 void WAIT_PARENT(void)
 {
     char    c;

     if (read(pfd1[], &c, ) != )
         printf("read error\n");

     if (c != 'p')
     {
         printf("WAIT_PARENT: incorrect data\n");
         return ;
     }

 }

 void TELL_CHILD(pid_t pid)
 {
     if (write(pfd1[], "p", ) != )
         printf("write error\n");
 }

 void WAIT_CHILD(void)
 {
     char    c;

     if (read(pfd2[], &c, ) != )
         printf("read error\n");

     if (c != 'c')
     {
         printf("WAIT_CHILD: incorrect data\n");
         return ;
     }
 }

常见的操作是创建一个连接到另一个进程的管道，然后读其输出或向其输入端发送数据，为此，标准I/O库提供了两个函数popen和pclose。这两个函数的功能是：创建一个管道，fork一个子进程，关闭未使用的管道端，然后执行一个shell运行命令，等待命令终止（使用popen可以减少代码编写量）。

#include <stdio.h>

FILE* popen(const char* cmdstring, const char* type);

返回值：成功，返回文件指针；失败，返回NULL

int pclose(FILE* fp);

返回值：成功，返回cmdstring的终止状态；失败，返回-1

说明：

函数popen先执行fork，然后调用exec执行cmdstring，并且返回一个标准I/O文件指针。如果type是r，则文件指针连接到cmdstring的标准输出；如果type是w，则文件指针连接到cmdstring的标准输入，见下图：

pclose函数关闭标准I/O流，等待命令终止，然后返回shell的终止状态。

cmdstring由Bourne shell以下列方式执行：sh –c cmdstring

shell命令${PAGER:-more}的意思是：如果shell变量PAGER已经定义，且其值非空，则使用其值，否则使用字符串more。利用popen函数重写实例二：

 [root@benxintuzi ipc]# cat pipe3.c
 #include <stdio.h>
 #include <sys/wait.h>

 #define MAXLINE 1024
 #define PAGER   "${PAGER:-more}" /* environment variable, or default */

 int main(int argc, char *argv[])
 {
         char    line[MAXLINE];
         FILE    *fpin, *fpout;

         if (argc != )
         {
                 printf("usage: a.out <pathname>\n");
                 return (-);
         }

         if ((fpin = fopen(argv[], "r")) == NULL)
                 printf("can't open %s\n", argv[]);

         if ((fpout = popen(PAGER, "w")) == NULL)
                 printf("popen error\n");

         /* copy argv[1] to pager */
         while (fgets(line, MAXLINE, fpin) != NULL) {
                 if (fputs(line, fpout) == EOF)
                         printf("fputs error to pipe\n");
         }
         if (ferror(fpin))
                 printf("fgets error\n");
         if (pclose(fpout) == -)
                 printf("pclose error\n");

         return ();
 }
 [root@benxintuzi ipc]# ./pipe3 pipe2.c
 #include <unistd.h>
 #include <sys/wait.h>
 #include <stdio.h>

 #define DEF_PAGER       "/bin/more"             /* default pager program */
 #define MAXLINE 1024

 int main(int argc, char *argv[])
 {
         int             n;
         int             fd[];
         pid_t   pid;
         char    *pager, *argv0;
         char    line[MAXLINE];
         FILE    *fp;

         if (argc != )
         {
                 printf("usage: a.out <pathname>\n");
                 return (-);
         }

         if ((fp = fopen(argv[], "r")) == NULL)
                 printf("can't open %s\n", argv[]);
         if (pipe(fd) < )
                 printf("pipe error\n");

         if ((pid = fork()) < ) {
                 printf("fork error\n");
         } else if (pid > ) {                                             /* parent */
                 close(fd[]);           /* close read end */

                 /* parent copies argv[1] to pipe */
                 while (fgets(line, MAXLINE, fp) != NULL) {
 --More--

协同进程：

当一个进程既要产生某个程序的输入，又读取该程序的输出时，它就变成了协同进程（coprocess）。协同进程通常在shell后台运行，其标准输入和标准输出通过管道连接到另一个程序。popen只提供连接到另一个进程的标准输入或标准输出的一个单向管道，而协同进程则有连接到另一个进程的两个单向管道：一个连接到其标准输入，另一个则来自其标准输出。

实例：从标准输入读取两个数，计算它们的和，然后将和写至其标准输出。

 [root@benxintuzi ipc]# cat coprocess.c
 #include <unistd.h>
 #include <stdio.h>

 #define MAXLINE 1024

 int main(void)
 {
         int             n, int1, int2;
         char    line[MAXLINE];

         while ((n = read(STDIN_FILENO, line, MAXLINE)) > ) {
                 line[n] = ;            /* null terminate */
                 if (sscanf(line, "%d%d", &int1, &int2) == ) {
                         sprintf(line, "%d\n", int1 + int2);
                         n = strlen(line);
                         if (write(STDOUT_FILENO, line, n) != n)
                                 printf("write error\n");
                 } else {
                         if (write(STDOUT_FILENO, "invalid args\n", ) != )
                                 printf("write error\n");
                 }
         }

         return ();
 }

 [root@benxintuzi ipc]# ./coprocess

 ^C
 [root@benxintuzi ipc]#

实例：将上述程序编译成为add2协同进程，然后下列程序创建了两个管道，父进程、子进程各自关闭了它们不需要的管道端，必须使用两个管道：一个用作协同进程的标准输入，另一个用作它的标准输出。然后子进程调用dup2使管道描述符移至其标准输入和标准输出，最后调用了excel执行add2：

 [root@benxintuzi ipc]# gcc coprocess.c -o add2
 [root@benxintuzi ipc]# cat coprocess2.c
 #include <unistd.h>
 #include <signal.h>
 #include <stdio.h>

 #define MAXLINE 1024

 static void     sig_pipe(int);          /* our signal handler */

 int main(void)
 {
         int             n, fd1[], fd2[];
         pid_t   pid;
         char    line[MAXLINE];

         if (signal(SIGPIPE, sig_pipe) == SIG_ERR)
                 printf("signal error\n");

         if (pipe(fd1) <  || pipe(fd2) < )
                 printf("pipe error\n");

         if ((pid = fork()) < ) {
                 printf("fork error\n");
         } else if (pid > ) {                                             /* parent */
                 close(fd1[]);
                 close(fd2[]);

                 while (fgets(line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
                         n = strlen(line);
                         if (write(fd1[], line, n) != n)
                                 printf("write error to pipe\n");
                         if ((n = read(fd2[], line, MAXLINE)) < )
                                 printf("read error from pipe\n");
                         if (n == ) {
                                 printf("child closed pipe\n");
                                 break;
                         }
                         line[n] = ;    /* null terminate */
                         if (fputs(line, stdout) == EOF)
                                 printf("fputs error\n");
                 }

                 if (ferror(stdin))
                         printf("fgets error on stdin\n");
                 exit();
         } else {                                                          /* child */
                 close(fd1[]);
                 close(fd2[]);
                 if (fd1[] != STDIN_FILENO) {
                         if (dup2(fd1[], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO)
                                 printf("dup2 error to stdin\n");
                         close(fd1[]);
                 }

                 if (fd2[] != STDOUT_FILENO) {
                         if (dup2(fd2[], STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO)
                                 printf("dup2 error to stdout\n");
                         close(fd2[]);
                 }
                 if (execl("./add2", "add2", (char *)) < )
                         printf("execl error\n");
         }
         exit();
 }

 static void sig_pipe(int signo)
 {
         printf("SIGPIPE caught\n");
         exit();
 }

 [root@benxintuzi ipc]# ./coprocess2

FIFO

FIFO有时被称为命名管道，未命名的管道只能在两个相关的进程之间使用，而且这两个相关的进程还要有一个共同的祖先进程。但是，通过FIFO，不相关的进程之间也能交换数据。

使用如下函数创建FIFO：

#include <sys/stat.h>

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

int mkfifoat(int fd, const char* path, mode_t mode);

返回值：成功，返回0；失败，返回-1

说明：

mkfifoat与mkfifo相似，像之前其他*at系列函数一样，有3种情形：

（1）   如果path参数指定了绝对路径名，则fd被忽略，此时mkfifoat和mkfifo一样。

（2）   如果path参数指定了相对路径名，则fd参数是一个打开目录的有效文件描述符，路径名和目录有关。

（3）   如果path参数指定了相对路径名，并且fd参数指定了AT_FDCWD，则路径名以当前目录开始，mkfifoat和mkfifo类似。

当我们使用mkfifo或者mkfifoat函数创建FIFO时，要用open打开，确是，正常的I/O函数（如close、read、write、unlink）都需要FIFO。当open一个FIFO时，非阻塞标志（O_NONBLOCK）会产生如下影响：

（1）   没有指定O_NONBLOCK时，只读open要阻塞到某个其他进程为写而打开这个FIFO为止。类似地，只写open要阻塞到某个其他进程为读而打开这个FIFO为止。

（2）   如果指定了P_NONBLOCK，则只读open立即返回。但是，如果没有进程为读而打开这个FIFO，那么只写open将返回-1，并将errno设置为ENXIO。

一个给定的FIFO有多个写进程是很常见的，这就意味着，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。和管道一样，常量PIPE_BUF说明了可被原子地写到FIFO的最大数据量。

FIFO主要有以下两种用途：

（1）   shell命令使用FIFO将数据从一条管道传送到另一条管道，无需创建中间临时文件。

实例：考虑这样一个过程，他需要对一个输入文件进行两次处理，示意图如下：

我们可以使用FIFO和tee命令如下处理：

mkfifo fifo1

prog3 < fifo1 &

prog1 < （输入文件） | tee fifo1 | prog2

执行流程如下：

（2）   客户进程-服务器进程应用程序中，FIFO用作汇聚点，在客户进程和服务器进程之间传递数据。

实例：有一个服务器进程，它与很多客户进程相关，每个客户进程都可将请求写到一个该服务器进程创建的FIFO中。由于该FIFO有多个写进程，因此客户进程每次发送给服务器的数据长度要小于PIPE_BUF字节，这样就能避免客户进程之间的写交叉。

但是这种类型的FIFO设计有问题，服务器如何回应各个客户进程呢？一种解决方法是，每个客户进程都在其请求中包含它的进程ID，然后服务器进程为每个客户进程创建一个FIFO，所使用的路径名是以客户进程的进程ID为基础的。例如，服务进程可以用名字/tmp/serv1.XXXXX创建FIFO，其中XXXXX被替换成客户进程的进程ID，如下图所示：