Linux環(huán)境進程間通信:管道及有名管道-電腦資料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,1、管道概述及相關API應用管道相關的關鍵概念管道是Linux支持的最初UnixIPC形式之一，具有以下特點：管道是半雙工的，數(shù)據(jù)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(tǒng)：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(tǒng)，而是自立門戶，單獨構成一種文件系統(tǒng)，并且只存在與內(nèi)存中。數(shù)據(jù)的讀出和寫入：一個進程向管道中寫的內(nèi)容被管道另一端的進程讀出。寫入的內(nèi)容每次都添加在管道緩沖區(qū)的末尾，并且每次都是從緩沖區(qū)的頭部讀出數(shù)據(jù)。管道的創(chuàng)建：#includeintpipe（intfd[2]）該函數(shù)創(chuàng)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(chuàng)建管道后，一般再fork一個子進程，然后通過管道實現(xiàn)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）。L3管道的讀寫規(guī)則:管道兩端可分別用描述字fd[0]以及fd[l]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[O]表示，稱其為管道讀端；另一端則只能用于寫，由描述字fd[l]來表示，稱其為管道寫端。如果試圖從管道寫端讀取數(shù)據(jù)，或者向管道讀端寫入數(shù)據(jù)都將導致錯誤發(fā)生。一般文件的1/（）函數(shù)都可以用于管道，如close、read、write等等。從管道中讀取數(shù)據(jù)：如果管道的寫端不存在，則認為已經(jīng)讀到了數(shù)據(jù)的末尾，讀函數(shù)返回的讀出字節(jié)數(shù)為0;當管道的寫端存在時，如果請求的字節(jié)數(shù)目大于PIPE_BUF,則返回管道中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，如果請求的字節(jié)數(shù)目不大于PTPE_BUF,則返回管道中現(xiàn)有數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（此時，管道中數(shù)據(jù)量小于請求的數(shù)據(jù)量）；或者返回請求的字節(jié)數(shù)（此時，管道中數(shù)據(jù)量不小于請求的數(shù)據(jù)量）。注：（PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定義，不同的內(nèi)核版本可能會有所不同。Posix.1要求PTPE_BUF至少為512字節(jié)，redhat7.2中為4096）。關于管道的讀規(guī)則驗證：向管道中寫入數(shù)據(jù)：向管道中寫入數(shù)據(jù)時，linux將不保證寫入的原子性，管道緩沖區(qū)一有空閑區(qū)域，寫進程就會試圖向管道寫入數(shù)據(jù)。如果讀進程不讀走管道緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)才有意義。否則，向管道中寫入數(shù)據(jù)的進程將收到內(nèi)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(guī)則的驗證1：寫端對讀端存在的依賴性ftincludettincludemain（）{intpipe_fd[2];pid_t則輸出結果為：Brokenpipe,原因就是該管道以及它的所有fork。產(chǎn)物的讀端都已經(jīng)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(guī)則的驗證2：linux不保證寫管道的原子性驗證#include#include#includemain(intargc結論：寫入數(shù)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(jié)數(shù)都改為5000,則很容易得出下面結論：寫入管道的數(shù)據(jù)量大于4096字節(jié)時，緩沖區(qū)的空閑空間將被寫入數(shù)據(jù)(補齊)，直到寫完所有數(shù)據(jù)為止，如果沒有進程讀數(shù)據(jù)，則一直阻塞。L4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(Bourneshell或Cshell等)鍵入who|wc-l后，相應shell程序?qū)?chuàng)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：運行結果見附一。IgrepSIGRTMIN運行結果如下：30)STGPWR31)SIGSYS32)SIGRTMTN33)SIGRTMIN+134)SIGRTMIN+235)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(fā)送一些命令給子進程，子進程解析命令，并根據(jù)命令作相應處理。#include#includemain(){intpipefd[2];pidt1.5管道的局限性管道的主要局限性正體現(xiàn)在它的特點上：只支持單向數(shù)據(jù)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(qū)是有限的(管道制存在于內(nèi)存中，在管道創(chuàng)建時，為緩沖區(qū)分配一個頁面大小)；2、有名管道概述及相關APT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,在有名管道程am通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(lián)，以FIFO的文件形式存在于文件系統(tǒng)中。這樣，即使與FIFO的創(chuàng)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(chuàng)建進程之間)，因此，通過FIFO不相關的進程也能交換數(shù)據(jù)。值得注意的是，F(xiàn)IFO嚴格遵循先進先出(firstinfirstout),對管道及FIFO的讀總是從開始處返回數(shù)據(jù)，對它們的寫則把數(shù)據(jù)添加到末尾。它們不支持諸如IseekO等文件定位操作。2.2有名管道的創(chuàng)建#include#includeintmkfifo(constchar*pathname,modetmode)該函數(shù)的第一個參數(shù)是一個普通的路徑名，也就是創(chuàng)建后FIFO的名字，2.3有名管道的打開規(guī)則有名管道比管道多了一個打開操作：open。FIFO的打開規(guī)則：如果當前打開操作是為讀而打開FIFO時，若已經(jīng)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(jīng)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(guī)則的驗證參見附2。2.4有名管道的讀寫規(guī)則從FIFO中讀取數(shù)據(jù)：約定：如果一個進程為了從FIFO中讀取數(shù)據(jù)而阻塞打開FIFO,那么稱該進程內(nèi)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(nèi)沒有數(shù)據(jù)，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T,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(nèi)有數(shù)據(jù)，但有其它進程在讀這些數(shù)據(jù)；另外就是FIFO內(nèi)沒有數(shù)據(jù)。解阻塞的原因則是FIFO中有新的數(shù)據(jù)寫入，不論信寫入數(shù)據(jù)量的大小，也不論讀操作請求多少數(shù)據(jù)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(nèi)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(zhí)行的讀操作將不再阻塞，即使在執(zhí)行讀操作時，F(xiàn)IFO中沒有數(shù)據(jù)也一樣（此時，讀操作返回0）。如果沒有進程寫打開FTFO,則設置了阻塞標志的讀操作會阻塞。注：如果FIFO中有數(shù)據(jù)，則設置了阻塞標志的讀操作不會因為FIFO中的字節(jié)數(shù)小于請求讀的字節(jié)數(shù)而阻塞，此時，讀操作會返回FIFO中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)量。向FIFO中寫入數(shù)據(jù)：約定：如果一個進程為了向FIFO中寫入數(shù)據(jù)而阻塞打開FIFO,那么稱該進程內(nèi)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(shù)據(jù)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(qū)不足以容納要寫入的字節(jié)數(shù)，則進入睡眠，直到當緩沖區(qū)中能夠容納要寫入的字節(jié)數(shù)時，才開始進行一次性寫操作。當要寫入的數(shù)據(jù)量大于PIPE.BUF時，linux將不再保證寫入的原子性。FIFO緩沖區(qū)一有空閑區(qū)域，寫進程就會試圖向管道寫入數(shù)據(jù)，寫操作在寫完所有請求寫的數(shù)據(jù)后返回。對于沒有設置阻塞標志的寫操作：當要寫入的數(shù)據(jù)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(qū)后，寫操作返回。當要寫入的數(shù)據(jù)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(qū)能夠容納請求寫入的字節(jié)數(shù)，寫完后成功返回；如果當前FIFO空閑緩沖區(qū)不能夠容納請求寫入的字節(jié)數(shù)，則返回EAGAIN錯誤，提醒以后再寫；對FIFO讀寫規(guī)則的驗證：下面提供了兩個對FIFO的讀寫程序，適當調(diào)節(jié)程序中的很少地方或者程序的命令行參數(shù)就可以對各種FIFO讀寫規(guī)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(jié)數(shù)大于PTPE_BUF版本：nbwg非阻塞且請求寫的字節(jié)數(shù)不大于PIPE_BUF版本：版本nbw阻塞且請求寫的字節(jié)數(shù)大于PIPE.BUF版本：bwg阻塞且請求寫的字節(jié)數(shù)不大于PTPE_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(shù)據(jù)量大于PIPE.BUF時的非原子性：nbrlOOObwg當請求寫入的數(shù)據(jù)量不大于PTPE_BUF時的原子性：nbrlOOObw驗證非阻塞寫操作：當請求寫入的數(shù)據(jù)量大于PIPE.BUF時的非原子性：nbrlOOOnbwg請求寫入的數(shù)據(jù)量不大于PIPE.BUF時的原子性：nbrlOOOnbw不管寫打開的阻塞標志是否設置，在請求寫入的字節(jié)數(shù)大于4096時，都不保證寫入的原子性。但二者有本質(zhì)區(qū)別：對于阻塞寫來說，寫操作在寫滿FIFO的空閑區(qū)域后，會一直等待，直到寫完所有數(shù)據(jù)為止，請求寫入的數(shù)據(jù)最終都會寫入FIFO;而非阻塞寫則在寫滿FIFO的空閑區(qū)域后，就返回（實際寫入的字節(jié)數(shù)），所以有些數(shù)據(jù)最終不能夠?qū)懭搿τ谧x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(guī)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(chuàng)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(chuàng)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