linux进程通信———有名管道FIFO
linux进程通信———有名管道FIFO
引言：无名管道的一个重大限制是它没有名字，通信范围限定在具有血缘关系的进程间。有名管道以FIFO文件形式存在于文件系统中。这样即使与FIFO创建进程不存在血缘关系的进程，只要访问该路径，就能够通过FIFO通信。本篇笔记包括FIFO介绍、代码实例、内核实现。
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- linux进程通信———有名管道FIFO
- 一、FIFO简介
- 1.1、“有名”管道：
- 1.2、创建：
- 1.3、FIFO的打开规则：
- 1.4、FIFO中读取数据：
- 1.5、FIFO中写入数据：
- 二、代码实例：
- 2.1、无亲缘关系的服务器与客户端通信：
- 三、FIFO命名管道的内核实现：
- 一、FIFO简介
- linux进程通信———有名管道FIFO
一、FIFO简介
1.1、“有名”管道：
FIFO指代先进先出（first in, first out）,Unix中的FIFO类似于管道。它是一个单向（半双工的数据流）。不同于管道的是，每个FIFO有一个路径名与之对之关联，从而允许无亲缘关系的进程访问同一个FIFO，进行通信。FIFO也称为有名管道（named pipe）。
1.2、创建：
FIFO由mkfifo()函数创建，函数原型为：
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode)
- const char *pathname：是一个普通的unix路径名，它是该FIFO的名字。
- **mode：**mode参数指定FIFO权限位，它是S_IRUSER（属主读）、S_IWUSR(属主写)、S_IRGRP(组成员读)、S_IWGRP(组成员写)、S_IROTH(其他用户读)、S_IWOTH(其他用户写)这六个常值按位或组成的。
mkfifo函数已隐含制定O_CREAT | O_EXCL，也就是说，它要么创建一个新的FIFO，要么返回一个EEXIST错误（所指定名字的FIFO已经存在）。如果不希望创建一个新的FIFO，那么就改为调用open而不是mkfifo。要打开一个已经存在或希望创建一个新的FIFO，应先调用mkfifo，再检查它是否返回EEXIST错误，若返回该错误则改为调用open。
1.3、FIFO的打开规则：
1)、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）。
2)、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）。
总之，一旦设置了阻塞标志，调用mkfifo建立好之后，那么管道的两端读写必须分别打开，有任何一方未打开，则在调用open的时候就阻塞。对管道或者FIFO的write总是向末尾添加数据，对它们的read总是从开头返回数据，对管道或者FIFO调用lseek，返回ESPIPE错误。
1.4、FIFO中读取数据：
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。并且有进程写打开FIFO，且当前FIFO内没有数据，即此时管道的两端都建立好了，但是写端还没有写数据。
1)、则对于设置了阻塞标志的读操作来说，将一直阻塞（就是block住了，等待数据。它并不消耗CPU资源，这种进程的同步方式对CPU而言是非常有效率的。）
2)、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来说，造成阻塞的原因有两种：
1)、FIFO内有数据，但有其它进程在读这些数据（对于各个读进程而言，这根有名管道是临界资源，大家得互相谦让，不能一起用。）
2)、FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入，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。
需要注意的一点是：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。
1.5、FIFO中写入数据：
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。对于设置了写阻塞标志的操作：
1)、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。
2)、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：
1)、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。
2)、当要写入的数据量小于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；
二、代码实例：
2.1、无亲缘关系的服务器与客户端通信：
基本流程：
1)、服务器创建有名管道FIFO1、FIFO2，设置FIFO1只读，FIFO2只写
2)、客户端打开有名管道FIFO1、FIFO2，设置FIFO1只写，FIFO2只读
3)、数据收发
4)、关闭读写，断开连接
服务器端程序代码：
/******************************************************
*内容：IPC通信FIFO测试，服务器端代码
*时间：2018.04.01
*问题：
******************************************************/
#include
#include客户端程序代码：
/******************************************************
*内容：IPC通信FIFO测试，客户端代码
*时间：2018.04.01
*问题：
******************************************************/
#include
#include现象1：当客户端未连接，服务器处于阻塞态：
现象2：当客户端连接后，执行状态：
三、FIFO命名管道的内核实现：
因为pipe只能用在两个有血缘关系的进程上，例如父子进程；如果要在两个没有关系的进程上利用管道通信时，这时pipe就派不上用场了。我们如何让两个不相干的进程找到带有pipe属性的inode呢？自然想到利用磁盘文件。
linux下两个进程访问同一个文件时，虽然各自的file是不一样的，但是都指向同一个Inode节点，所以将pipe和磁盘文件结合，就产生了命名管道。
//read_fifo_fpos
struct file_operations read_fifo_fops = {
.llseek = no_llseek,
.read = pipe_read,
.readv = pipe_readv,
.write = bad_pipe_w,
.poll = fifo_poll,
.ioctl = pipe_ioctl,
.open = pipe_read_open,
.release = pipe_read_release,
.fasync = pipe_read_fasync,
};
// read_pipe_fops
struct file_operations read_pipe_fops = {
.llseek = no_llseek,
.read = pipe_read,
.readv = pipe_readv,
.write = bad_pipe_w,
.poll = pipe_poll,
.ioctl = pipe_ioctl,
.open = pipe_read_open,
.release = pipe_read_release,
.fasync = pipe_read_fasync,
};可以看出来，二者操作函数一样，说明对FIFO的读写操作也是对管道缓冲区进行读写，故fifo创建的文件，只是让读写进程找到相同的inode, 进而操作相同的pipe缓冲区。
参考资料：
1、unix 网络编程卷II
2、Linux有名管道FIFO）
3、从内核代码聊聊pipe的实现
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