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管道及有名管道
在本系列序中作者概述了 linux 進程間通信的幾種主要手段。其中管道和有名管道是最早的進程間通信機制之一，管道可用于具有親緣關系進程間的通信，有名管道克服了管道沒有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它還允許無親緣關系進程間的通信。 認清管道和有名管道的讀寫規則是在程序中應用它們的關鍵，本文在詳細討論了管道和有名管道的通信機制的基礎上，用實例對其讀寫規則進行了程序驗證，這樣做有利于增強讀者對讀寫規則的感性認識，同時也提供了應用范例。
1、 管道概述及相關API應用
1.1 管道相關的關鍵概念
管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一，具有以下特點：
管道是半雙工的，數據只能向一個方向流動;需要雙方通信時，需要建立起兩個管道;
只能用于父子進程或者兄弟進程之間(具有親緣關系的進程);
單獨構成一種獨立的文件系統：管道對于管道兩端的進程而言，就是一個文件，但它不是普通的文件，它不屬于某種文件系統，而是自立門戶，單獨構成一種文件系統，并且只存在與內存中。
數據的讀出和寫入：一個進程向管道中寫的內容被管道另一端的進程讀出。寫入的內容每次都添加在管道緩沖區的末尾，并且每次都是從緩沖區的頭部讀出數據。
1.2管道的創建：
#include int pipe(int fd[2])
該函數創建的管道的兩端處于一個進程中間，在實際應用中沒有太大意義，因此，一個進程在由pipe()創建管道后，一般再fork一個子進程，然后通過管道實現父子進程間的通信(因此也不難推出，只要兩個進程中存在親緣關系，這里的親緣關系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式來進行通信)。
1.3管道的讀寫規則：
管道兩端可分別用描述字fd[0]以及fd[1]來描述，需要注意的是，管道的兩端是固定了任務的。即一端只能用于讀，由描述字fd[0]表示，稱其為管道讀端;另一端則只能用于寫，由描述字fd[1]來表示，稱其為管道寫端。如果試圖從管道寫端讀取數據，或者向管道讀端寫入數據都將導致錯誤發生。一般文件的I/O函數都可以用于管道，如close、read、write等等。
從管道中讀取數據：
如果管道的寫端不存在，則認為已經讀到了數據的末尾，讀函數返回的讀出字節數為0;
當管道的寫端存在時，如果請求的字節數目大于PIPE_BUF，則返回管道中現有的數據字節數，如果請求的字節數目不大于PIPE_BUF，則返回管道中現有數據字節數(此時，管道中數據量小于請求的數據量);或者返回請求的字節數(此時，管道中數據量不小于請求的數據量)。注：(PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定義，不同的內核版本可能會有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少為512字節，red hat 7.2中為4096)。
關于管道的讀規則驗證：
/************** * readtest.c * **************/#include #include
向管道中寫入數據：
向管道中寫入數據時，linux將不保證寫入的原子性，管道緩沖區一有空閑區域，寫進程就會試圖向管道寫入數據。如果讀進程不讀走管道緩沖區中的數據，那么寫操作將一直阻塞。
注：只有在管道的讀端存在時，向管道中寫入數據才有意義。否則，向管道中寫入數據的進程將收到內核傳來的SIFPIPE信號，應用程序可以處理該信號，也可以忽略(默認動作則是應用程序終止)。
對管道的寫規則的驗證1：寫端對讀端存在的依賴性
#include #include main(){ int pipe_fd[2]; pid_t
則輸出結果為： Broken pipe,原因就是該管道以及它的所有fork()產物的讀端都已經被關閉。如果在父進程中保留讀端，即在寫完pipe后，再關閉父進程的讀端，也會正常寫入pipe，讀者可自己驗證一下該結論。因此，在向管道寫入數據時，至少應該存在某一個進程，其中管道讀端沒有被關閉，否則就會出現上述錯誤(管道斷裂,進程收到了SIGPIPE信號，默認動作是進程終止)
對管道的寫規則的驗證2：linux不保證寫管道的原子性驗證
#include #include #include main(int argc
結論：
寫入數目小于4096時寫入是非原子的!
如果把父進程中的兩次寫入字節數都改為5000，則很容易得出下面結論：
寫入管道的數據量大于4096字節時，緩沖區的空閑空間將被寫入數據(補齊)，直到寫完所有數據為止，如果沒有進程讀數據，則一直阻塞。
1.4管道應用實例：
實例一：用于shell
管道可用于輸入輸出重定向，它將一個命令的輸出直接定向到另一個命令的輸入。比如，當在某個shell程序(Bourne shell或C shell等)鍵入who│wc -l后，相應shell程序將創建who以及wc兩個進程和這兩個進程間的管道。考慮下面的命令行：
$kill -l 運行結果見附一。
$kill -l | grep SIGRTMIN 運行結果如下：
30) SIGPWR 31) SIGSYS 32) SIGRTMIN 33) SIGRTMIN+134) SIGRTMIN+2 35) SIGRTMIN
實例二：用于具有親緣關系的進程間通信
下面例子給出了管道的具體應用，父進程通過管道發送一些命令給子進程，子進程解析命令，并根據命令作相應處理。
#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體現在它的特點上：
只支持單向數據流;
只能用于具有親緣關系的進程之間;
沒有名字;
管道的緩沖區是有限的(管道制存在于內存中，在管道創建時，為緩沖區分配一個頁面大小);
管道所傳送的是無格式字節流，這就要求管道的讀出方和寫入方必須事先約定好數據的格式，比如多少字節算作一個消息(或命令、或記錄)等等;
2、 有名管道概述及相關API應用
2.1 有名管道相關的關鍵概念
管道應用的一個重大限制是它沒有名字，因此，只能用于具有親緣關系的進程間通信，在有名管道(named pipe或FIFO)提出后，該限制得到了克服。FIFO不同于管道之處在于它提供一個路徑名與之關聯，以FIFO的文件形式存在于文件系統中。這樣，即使與FIFO的創建進程不存在親緣關系的進程，只要可以訪問該路徑，就能夠彼此通過FIFO相互通信(能夠訪問該路徑的進程以及FIFO的創建進程之間)，因此，通過FIFO不相關的進程也能交換數據。值得注意的是，FIFO嚴格遵循先進先出(first in first out)，對管道及FIFO的讀總是從開始處返回數據，對它們的寫則把數據添加到末尾。它們不支持諸如lseek()等文件定位操作。
2.2有名管道的創建
#include #include int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode)
該函數的第一個參數是一個普通的路徑名，也就是創建后FIFO的名字。第二個參數與打開普通文件的open()函數中的mode 參數相同。如果mkfifo的第一個參數是一個已經存在的路徑名時，會返回EEXIST錯誤，所以一般典型的調用代碼首先會檢查是否返回該錯誤，如果確實返回該錯誤，那么只要調用打開FIFO的函數就可以了。一般文件的I/O函數都可以用于FIFO，如close、read、write等等。
2.3有名管道的打開規則
有名管道比管道多了一個打開操作：open。
FIFO的打開規則：
如果當前打開操作是為讀而打開FIFO時，若已經有相應進程為寫而打開該FIFO，則當前打開操作將成功返回;否則，可能阻塞直到有相應進程為寫而打開該FIFO(當前打開操作設置了阻塞標志);或者，成功返回(當前打開操作沒有設置阻塞標志)。
如果當前打開操作是為寫而打開FIFO時，如果已經有相應進程為讀而打開該FIFO，則當前打開操作將成功返回;否則，可能阻塞直到有相應進程為讀而打開該FIFO(當前打開操作設置了阻塞標志);或者，返回ENXIO錯誤(當前打開操作沒有設置阻塞標志)。
對打開規則的驗證參見附2。
2.4有名管道的讀寫規則
從FIFO中讀取數據：
約定：如果一個進程為了從FIFO中讀取數據而阻塞打開FIFO，那么稱該進程內的讀操作為設置了阻塞標志的讀操作。
如果有進程寫打開FIFO，且當前FIFO內沒有數據，則對于設置了阻塞標志的讀操作來說，將一直阻塞。對于沒有設置阻塞標志讀操作來說則返回-1，當前errno值為EAGAIN，提醒以后再試。
對于設置了阻塞標志的讀操作說，造成阻塞的原因有兩種：當前FIFO內有數據，但有其它進程在讀這些數據;另外就是FIFO內沒有數據。解阻塞的原因則是FIFO中有新的數據寫入，不論信寫入數據量的大小，也不論讀操作請求多少數據量。
讀打開的阻塞標志只對本進程第一個讀操作施加作用，如果本進程內有多個讀操作序列，則在第一個讀操作被喚醒并完成讀操作后，其它將要執行的讀操作將不再阻塞，即使在執行讀操作時，FIFO中沒有數據也一樣(此時，讀操作返回0)。
如果沒有進程寫打開FIFO，則設置了阻塞標志的讀操作會阻塞。
注：如果FIFO中有數據，則設置了阻塞標志的讀操作不會因為FIFO中的字節數小于請求讀的字節數而阻塞，此時，讀操作會返回FIFO中現有的數據量。
向FIFO中寫入數據：
約定：如果一個進程為了向FIFO中寫入數據而阻塞打開FIFO，那么稱該進程內的寫操作為設置了阻塞標志的寫操作。
對于設置了阻塞標志的寫操作：
當要寫入的數據量不大于PIPE_BUF時，linux將保證寫入的原子性。如果此時管道空閑緩沖區不足以容納要寫入的字節數，則進入睡眠，直到當緩沖區中能夠容納要寫入的字節數時，才開始進行一次性寫操作。
當要寫入的數據量大于PIPE_BUF時，linux將不再保證寫入的原子性。FIFO緩沖區一有空閑區域，寫進程就會試圖向管道寫入數據，寫操作在寫完所有請求寫的數據后返回。
對于沒有設置阻塞標志的寫操作：
當要寫入的數據量大于PIPE_BUF時，linux將不再保證寫入的原子性。在寫滿所有FIFO空閑緩沖區后，寫操作返回。
當要寫入的數據量不大于PIPE_BUF時，linux將保證寫入的原子性。如果當前FIFO空閑緩沖區能夠容納請求寫入的字節數，寫完后成功返回;如果當前FIFO空閑緩沖區不能夠容納請求寫入的字節數，則返回EAGAIN錯誤，提醒以后再寫;
對FIFO讀寫規則的驗證：
下面提供了兩個對FIFO的讀寫程序，適當調節程序中的很少地方或者程序的命令行參數就可以對各種FIFO讀寫規則進行驗證。
程序1：寫FIFO的程序
#include #include #include #include
程序應用說明：
把讀程序編譯成兩個不同版本：
阻塞讀版本:br
以及非阻塞讀版本nbr
把寫程序編譯成兩個四個版本：
非阻塞且請求寫的字節數大于PIPE_BUF版本：nbwg
非阻塞且請求寫的字節數不大于PIPE_BUF版本：版本nbw
阻塞且請求寫的字節數大于PIPE_BUF版本：bwg
阻塞且請求寫的字節數不大于PIPE_BUF版本：版本bw
下面將使用br、nbr、w代替相應程序中的阻塞讀、非阻塞讀
驗證阻塞寫操作：
當請求寫入的數據量大于PIPE_BUF時的非原子性：
nbr 1000
bwg
當請求寫入的數據量不大于PIPE_BUF時的原子性：
nbr 1000
bw
驗證非阻塞寫操作：
當請求寫入的數據量大于PIPE_BUF時的非原子性：
nbr 1000
nbwg
請求寫入的數據量不大于PIPE_BUF時的原子性：
nbr 1000
nbw
不管寫打開的阻塞標志是否設置，在請求寫入的字節數大于4096時，都不保證寫入的原子性。但二者有本質區別：
對于阻塞寫來說，寫操作在寫滿FIFO的空閑區域后，會一直等待，直到寫完所有數據為止，請求寫入的數據最終都會寫入FIFO;
而非阻塞寫則在寫滿FIFO的空閑區域后，就返回(實際寫入的字節數)，所以有些數據最終不能夠寫入。
對于讀操作的驗證則比較簡單，不再討論。
2.5有名管道應用實例
在驗證了相應的讀寫規則后，應用實例似乎就沒有必要了。
小結：
管道常用于兩個方面：(1)在shell中時常會用到管道(作為輸入輸入的重定向)，在這種應用方式下，管道的創建對于用戶來說是透明的;(2)用于具有親緣關系的進程間通信，用戶自己創建管道，并完成讀寫操作。
FIFO可以說是管道的推廣，克服了管道無名字的限制，使得無親緣關系的進程同樣可以采用先進先出的通信機制進行通信。
管道和FIFO的數據是字節流，應用程序之間必須事先確定特定的傳輸"協議"，采用傳播具有特定意義的消息。
要靈活應用管道及FIFO，理解它們的讀寫規則是關鍵。
附1：kill -l 的運行結果，顯示了當前系統支持的所有信號：
1) SIGHUP 2) SIGINT 3) SIGQUIT 4) SIGILL5) SIGTRAP 6) SIGABRT
除了在此處用來說明管道應用外，接下來的專題還要對這些信號分類討論。
附2：對FIFO打開規則的驗證(主要驗證寫打開對讀打開的依賴性)
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