Linux环境进程间通信:管道及有名管道

管道及有名管道
        在本系列序中作者概述了 linux 进程间通信的几种主要手段。其中管道和有名管道是最早的进程间通信机制之一，管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，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。 认清管道和有名管道的读写规则是在程序中应用它们的关键，本文在详细讨论了管道和有名管道的通信机制的基础上，用实例对其读写规则进行了程序验证，这样做有利于增强读者对读写规则的感性认识，同时也提供了应用范例。
        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）。
        关于管道的读规则验证：
　　/************** * readtest.c * **************/#include #include 
        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）。
        对管道的写规则的验证1：写端对读端存在的依赖性
　　#include #include main(){ int pipe_fd[2]; pid_t
        则输出结果为： Broken pipe,原因就是该管道以及它的所有fork()产物的读端都已经被关闭。如果在父进程中保留读端，即在写完pipe后，再关闭父进程的读端，也会正常写入pipe，读者可自己验证一下该结论。因此，在向管道写入数据时，至少应该存在某一个进程，其中管道读端没有被关闭，否则就会出现上述错误（管道断裂,进程收到了SIGPIPE信号，默认动作是进程终止）
        对管道的写规则的验证2：linux不保证写管道的原子性验证
　　#include #include #include main(int argc
        结论：
        写入数目小于4096时写入是非原子的！
        如果把父进程中的两次写入字节数都改为5000，则很容易得出下面结论：
        写入管道的数据量大于4096字节时，缓冲区的空闲空间将被写入数据（补齐），直到写完所有数据为止，如果没有进程读数据，则一直阻塞。
1.4管道应用实例：
        实例一：用于shell
        管道可用于输入输出重定向，它将一个命令的输出直接定向到另一个命令的输入。比如，当在某个shell程序（Bourne shell或C shell等）键入who│wc -l后，相应shell程序将创建who以及wc两个进程和这两个进程间的管道。考虑下面的命令行：
        $kill -l 运行结果见附一。
        $kill -l | grep SIGRTMIN 运行结果如下：
　　30) SIGPWR 31) SIGSYS 32) SIGRTMIN 33) SIGRTMIN+134) SIGRTMIN+2 35) SIGRTMIN
        实例二：用于具有亲缘关系的进程间通信
        下面例子给出了管道的具体应用，父进程通过管道发送一些命令给子进程，子进程解析命令，并根据命令作相应处理。
　　#include #include main(){ int pipe_fd[2]; pid_t
        1.5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；
        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）。
        对打开规则的验证参见附2。
        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；
对FIFO读写规则的验证：
        下面提供了两个对FIFO的读写程序，适当调节程序中的很少地方或者程序的命令行参数就可以对各种FIFO读写规则进行验证。
        程序1：写FIFO的程序
　　#include #include #include #include 
        程序应用说明：
        把读程序编译成两个不同版本：
        阻塞读版本:br
        以及非阻塞读版本nbr
        把写程序编译成两个四个版本：
        非阻塞且请求写的字节数大于PIPE_BUF版本：nbwg
        非阻塞且请求写的字节数不大于PIPE_BUF版本：版本nbw
        阻塞且请求写的字节数大于PIPE_BUF版本：bwg
        阻塞且请求写的字节数不大于PIPE_BUF版本：版本bw
        下面将使用br、nbr、w代替相应程序中的阻塞读、非阻塞读
        验证阻塞写操作：
        当请求写入的数据量大于PIPE_BUF时的非原子性：
        nbr 1000
        bwg
        当请求写入的数据量不大于PIPE_BUF时的原子性：
        nbr 1000
        bw
        验证非阻塞写操作：
        当请求写入的数据量大于PIPE_BUF时的非原子性：
        nbr 1000
        nbwg
        请求写入的数据量不大于PIPE_BUF时的原子性：
        nbr 1000
        nbw
        不管写打开的阻塞标志是否设置，在请求写入的字节数大于4096时，都不保证写入的原子性。但二者有本质区别：
        对于阻塞写来说，写操作在写满FIFO的空闲区域后，会一直等待，直到写完所有数据为止，请求写入的数据最终都会写入FIFO；
        而非阻塞写则在写满FIFO的空闲区域后，就返回(实际写入的字节数)，所以有些数据最终不能够写入。
        对于读操作的验证则比较简单，不再讨论。
        2.5有名管道应用实例
        在验证了相应的读写规则后，应用实例似乎就没有必要了。
        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。
        附1：kill -l 的运行结果，显示了当前系统支持的所有信号：
　　1) SIGHUP    2) SIGINT    3) SIGQUIT    4) SIGILL5) SIGTRAP    6) SIGABRT    
        除了在此处用来说明管道应用外，接下来的专题还要对这些信号分类讨论。
        附2：对FIFO打开规则的验证（主要验证写打开对读打开的依赖性）