进程间通信IPC之--无名管道(pipe)和有名管道(fifo)(转)
分类: C/C++
# 管道( pipe ):管道是一种半双工的通信方式,数据只能单向流动,而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
# 有名管道 (named pipe) : 有名管道也是半双工的通信方式,但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
# 信号量( semophore ) : 信号量是一个计数器,可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制,防止某进程正在访问共享资源时,其他进程也访问该资源。因此,主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
# 消息队列( message queue ) : 消息队列是由消息的链表,存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
# 共享内存( shared memory ) :共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存,这段共享内存由一个进程创建,但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式,它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制,如信号两,配合使用,来实现进程间的同步和通信。
本文介绍IPC之无名管道(pipe)和有名管道(fifo)
1、 管道概述及相关API应用
1.1 管道相关的关键概念
管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一,具有以下特点:
- 管道是半双工的,数据只能向一个方向流动;需要双方通信时,需要建立起两个管道;
- 只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程);
- 单独构成一种独立的文件系统:管道对于管道两端的进程而言,就是一个文件,但它不是普通的文件,它不属于某种文件系统,而是自立门户,单独构成一种文件系统,并且只存在与内存中。
- 数据的读出和写入:一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾,并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。
1.2管道的创建:
#include int pipe(int fd[2]) |
该函数创建的管道的两端处于一个进程中间,在实际应用中没有太大意义,因此,一个进程在由pipe()创建管道后,一般再fork一个子进程,然后通过管道实现父子进程间的通信(因此也不难推出,只要两个进程中存在亲缘关系,这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先,都可以采用管道方式来进行通信)。
1.3管道的读写规则:
管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述,需要注意的是,管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读,由描述字fd[0]表示,称其为管道读端;另一端则只能用于写,由描述字fd[1]来表示,称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据,或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道,如close、read、write等等。
从管道中读取数据:
- 如果管道的写端不存在,则认为已经读到了数据的末尾,读函数返回的读出字节数为0;
- 当管道的写端存在时,如果请求的字节数目大于PIPE_BUF,则返回管道中现有的数据字节数,如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF,则返回管道中现有数据字节数(此时,管道中数据量小于请求的数据量);或者返回请求的字节数(此时,管道中数据量不小于请求的数据量)。注:(PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定义,不同的内核版本可能会有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少为512字节,red hat 7.2中为4096)。
向管道中写入数据:
- 向管道中写入数据时,linux将不保证写入的原子性,管道缓冲区一有空闲区域,写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据,那么写操作将一直阻塞。
注:只有在管道的读端存在时,向管道中写入数据才有意义。否则,向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIFPIPE信号,应用程序可以处理该信号,也可以忽略(默认动作则是应用程序终止)。
1.4管道的局限性
管道的主要局限性正体现在它的特点上:
- 只支持单向数据流;
- 只能用于具有亲缘关系的进程之间;
- 没有名字;
- 管道的缓冲区是有限的(管道制存在于内存中,在管道创建时,为缓冲区分配一个页面大小);
- 管道所传送的是无格式字节流,这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式,比如多少字节算作一个消息(或命令、或记录)等等;
- /*function:利用无名管道pipe实现有血缘关系的进程间通信,pipo_fd[0]是读端,pipo_fd[1]是写端。pipe是半双工的。
- * */
- #include <unistd.h>
- #include <sys/types.h>
- #include <errno.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <stdio.h>
- #include <string.h>
- int main()
- {
- int pipe_fd[2];
- pid_t pid;
- char r_buf[10];
- char w_buf[4];
- int r_num;
- memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
- memset(w_buf,0,sizeof(w_buf));
- if(pipe(pipe_fd)<0)
- {
- printf("pipe create error\n");
- return -1;
- }
- if((pid=fork())==0)
- {
- printf("\n");
- close(pipe_fd[1]);
- sleep(3);//确保父进程关闭写端
- r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,10);
- printf( "read num is %d the data read from the pipe is %d\n",r_num,atoi(r_buf));
- close(pipe_fd[0]);
- exit(1);
- }
- else if(pid>0)
- {
- close(pipe_fd[0]);//close read
- strcpy(w_buf,"111");
- if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!=-1)
- printf("parent write over\n");
- printf("parent close fd[1] over\n");
- close(pipe_fd[1]);//write
- sleep(10);
- }
- return 0;
- }
2、 有名管道概述及相关API应用
2.1 有名管道相关的关键概念
管道应用的一个重大限制是它没有名字,因此,只能用于具有亲缘关系的进程间通信,在有名管道(named pipe或FIFO)提出后,该限制得到了克服。FIFO不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联,以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样,即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程,只要可以访问该路径,就能够彼此通过FIFO相互通信(能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间),因此,通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值得注意的是,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。
2.2有名管道的创建
#include #include int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode); |
该函数的第一个参数是一个普通的路径名,也就是创建后FIFO的名字。第二个参数与打开普通文件的open()函数中的mode 参数相同。 如果mkfifo的第一个参数是一个已经存在的路径名时,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。一般文件的I/O函数都可以用于FIFO,如close、read、write等等。
2.3有名管道的打开规则
有名管道比管道多了一个打开操作:open。
FIFO的打开规则:
如果当前打开操作是为读而打开FIFO时,若已经有相应进程为写而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回;否则,可能阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志);或者,成功返回(当前打开操作没有设置阻塞标志)。
如果当前打开操作是为写而打开FIFO时,如果已经有相应进程为读而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回;否则,可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志);或者,返回ENXIO错误(当前打开操作没有设置阻塞标志)。
2.4有名管道的读写规则
从FIFO中读取数据:
约定:如果一个进程为了从FIFO中读取数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的读操作为设置了阻塞标志的读操作。
- 如果有进程写打开FIFO,且当前FIFO内没有数据,则对于设置了阻塞标志的读操作来说,将一直阻塞。对于没有设置阻塞标志读操作来说则返回-1,当前errno值为EAGAIN,提醒以后再试。
- 对于设置了阻塞标志的读操作说,造成阻塞的原因有两种:当前FIFO内有数据,但有其它进程在读这些数据;另外就是FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入,不论信写入数据量的大小,也不论读操作请求多少数据量。
- 读打开的阻塞标志只对本进程第一个读操作施加作用,如果本进程内有多个读操作序列,则在第一个读操作被唤醒并完成读操作后,其它将要执行的读操作将不再阻塞,即使在执行读操作时,FIFO中没有数据也一样(此时,读操作返回0)。
- 如果没有进程写打开FIFO,则设置了阻塞标志的读操作会阻塞。
注:如果FIFO中有数据,则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞,此时,读操作会返回FIFO中现有的数据量。
向FIFO中写入数据:
约定:如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的写操作为设置了阻塞标志的写操作。
对于设置了阻塞标志的写操作:
- 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,linux将保证写入的原子性。如果此时管道空闲缓冲区不足以容纳要写入的字节数,则进入睡眠,直到当缓冲区中能够容纳要写入的字节数时,才开始进行一次性写操作。
- 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,linux将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空闲区域,写进程就会试图向管道写入数据,写操作在写完所有请求写的数据后返回。
对于没有设置阻塞标志的写操作:
- 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,linux将不再保证写入的原子性。在写满所有FIFO空闲缓冲区后,写操作返回。
- 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,linux将保证写入的原子性。如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数,写完后成功返回;如果当前FIFO空闲缓冲区不能够容纳请求写入的字节数,则返回EAGAIN错误,提醒以后再写;
/* name:fifo_r.c
* 功能:读有名管道,并把读到的数据打印到屏幕*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#define N 80
int main(void) {
int in_file;
int count = 1;
char buf[N];
if((mkfifo("myfifo",0666))<0)//创建有名管道
{
if(errno==EEXIST)//管道已经存在
{
printf("The fifo is exist.\n");
}
else{
printf("creat myfifo failed!\n");
exit(-1);
}
}
else
{
printf("created by this process.\n");
}
in_file = open("myfifo",O_RDONLY);
if (in_file < 0) {
printf("Error in opening.\n");
exit(1);
}
while ((count = read(in_file,buf,N)) > 0)
{
printf("received from fifo: %s\n", buf);
memset(buf,0,N);
}
close(in_file);
return 0;
}
/* name:fifo_w.c
* 功能:从标准输入中读取数据,并到写有名管道*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#define N 80
int main() {
int out_file;
int nbyte;
char buf[N];
if((mkfifo("myfifo",0666))<0) //创建有名管道
{
if(errno==EEXIST)
{
printf("The fifo is exist.\n");
}
else{
perror("creat myfifo failed!\n");
exit(-1);
}
}else{
printf("created by this process.\n");
}
out_file = open("myfifo",O_WRONLY);
if (out_file < 0) {
printf("Error opening fifo.");
exit(1);
}
printf("please input something:\n");
while((nbyte = read(0,buf,N))){
write(out_file,buf,nbyte);
printf("please input something:\n");
}
close(out_file);
return 0;
}
小结:
管道常用于两个方面:(1)在shell中时常会用到管道(作为输入输入的重定向),在这种应用方式下,管道的创建对于用户来说是透明的;(2)用于具有亲缘关系的进程间通信,用户自己创建管道,并完成读写操作。
FIFO可以说是管道的推广,克服了管道无名字的限制,使得无亲缘关系的进程同样可以采用先进先出的通信机制进行通信。
管道和FIFO的数据是字节流,应用程序之间必须事先确定特定的传输"协议",采用传播具有特定意义的消息。
要灵活应用管道及FIFO,理解它们的读写规则是关键。
http://blog.chinaunix.net/uid-25365622-id-3059840.html
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