一、无名管道(pipe)
1.1管道的介绍
A.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
B.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);
C.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。
D.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
解释如下 :
从以上我们可以知道:
管道是基于文件描述符的通信方式。当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符fd[0]和fd[1]。其中fd[0]固定用于读管道，而fd[1]固定用于写管道,一般文件I/O的函数都可以用来操作管道(lseek除外)。
我们来测试一下管道的大小:
案例一、
单独创建一个无名管道，并没有实际的意义。我们一般是在一个进程在由pipe()创建管道后，一般再由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无名管道的读写规则探究
A.从管道中读取数据
<1>写端不存在时,此时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；
#include
#include #include int main() { int n; int fd[2]; int count = 0; char buf[100] = {0}; if(pipe(fd) < 0) { perror("Fail to create pipe"); exit(EXIT_FAILURE); } close(fd[1]); if((n = read(fd[0],buf,sizeof(buf))) < 0) { perror("Fail to read pipe"); exit(EXIT_FAILURE); } printf("Rread %d bytes : %s.\n",n,buf); return 0; }
运行结果:
<2>写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF(ubuntu操作系统为65536)，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，则放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)
案例二、父进程向管道中写数据，子进程从管道中读取数据
#include#include #include #include #define N 10 #define MAX 100 int child_read_pipe(int fd) { char buf[N]; int n = 0; while(1) { n = read(fd,buf,sizeof(buf)); buf[n] = '\0'; printf("Read %d bytes : %s.\n",n,buf); if(strncmp(buf,"quit",4) == 0) break; } return 0; } int father_write_pipe(int fd) { char buf[MAX] = {0}; while(1) { printf(">"); fgets(buf,sizeof(buf),stdin); buf[strlen(buf)-1] = '\0'; write(fd,buf,strlen(buf)); usleep(500); if(strncmp(buf,"quit",4) == 0) break; } return 0; } int main() { int pid; int fd[2]; if(pipe(fd) < 0) { perror("Fail to pipe"); exit(EXIT_FAILURE); } if((pid = fork()) < 0) { perror("Fail to fork"); exit(EXIT_FAILURE); }else if(pid == 0){ close(fd[1]); child_read_pipe(fd[0]); }else{ close(fd[0]); father_write_pipe(fd[1]); } exit(EXIT_SUCCESS); }
运行结果:
从以上验证我们可以看到：
<1>当写端存在时，管道中没有数据时，读取管道时将阻塞
<2>当读端请求读取的数据大于管道中的数据时，此时读取管道中实际大小的数据
<3>当读端请求读取的数据小于管道中的数据时，此时放回请求读取的大小数据
B.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。当管道满时，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。
注意：只有管道的读端存在时，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SIGPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略(默认动作则是使应用程序终止)。
#include
#include #include #include int main() { int pid; int n; int fd[2]; char buf[1000 * 6] = {0}; if(pipe(fd) < 0) { perror("Fail to pipe"); exit(EXIT_FAILURE); } if((pid = fork()) < 0) { perror("Fail to fork"); exit(EXIT_FAILURE); }else if(pid == 0){ close(fd[1]); sleep(5); close(fd[0]); printf("Read port close.\n"); sleep(3); }else{ close(fd[0]); while(1) { n = write(fd[1],buf,sizeof(buf)); printf("Write %d bytes to pipe.\n",n); } } exit(EXIT_SUCCESS); }
运行结果:
探究发现，当管道数据满时，此时再向管道写数据，写端将阻塞。当读端不存在时，写端写数据，内核将向其发送SIGPIPE信号，默认是终止进程。
案例3：父进程读取文件的内容，写到无名管道，子进程从管道中读取内容写到另一个文件。
//思考：父进程什么时候结束，子进程什么时候结束?
#include#include #include #include #include #include #include #define MAX 100 int child_work(int pfd,char *fname) { int n,fd; char buf[MAX]; if((fd = open(fname,O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666)) < 0) { fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",fname,strerror(errno)); return -1; } while( n = read(pfd,buf,sizeof(buf)) ) { write(fd,buf,n); } close(pfd); return 0; } int father_work(int pfd,char *fname) { int fd,n; char buf[MAX]; if((fd = open(fname,O_RDONLY)) < 0) { fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",fname,strerror(errno)); return -1; } while(n = read(fd,buf,sizeof(buf))) { write(pfd,buf,n); } close(pfd); return 0; } int main(int argc,char *argv[]) { int pid; int fd[2]; if(argc < 3) { fprintf(stderr,"usage %s argv[1] argv[2].\n",argv[0]); exit(EXIT_FAILURE); } if(pipe(fd) < 0) { perror("Fail to pipe"); exit(EXIT_FAILURE); } if((pid = fork()) < 0) { perror("Fail to fork"); exit(EXIT_FAILURE); }else if(pid == 0){ close(fd[1]); child_work(fd[0],argv[2]); }else{ close(fd[0]); father_work(fd[1],argv[1]); wait(NULL); } exit(EXIT_SUCCESS); }
二、有名管道
1.1有名管道的介绍
无名管道，由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信.。为了克服这个缺点，提出了有名管道(FIFO)。
FIFO不同于无名管道之处在于它提供了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，因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值的注意的是，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。
注意：有名管道的名字存在于文件系统中，内容存放在内存中。
1.2有名管道的创建
该函数的第一个参数是一个普通的路劲名，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的一个参数是一个已经存在路劲名时，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。
1.3有名管道的打开规则
有名管道比无名管道多了一个打开操作：open
FIFO的打开规则:
如果当前打开操作时为读而打开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)。
如果当前打开操作时为写而打开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ENIO错误(当期打开操作没有设置阻塞标志)。
案例:
A.open for write
#include#include #include #include #include #include #include int main(int argc,char *argv[]) { int fd; if(argc < 2) { fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]); exit(EXIT_FAILURE); } if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST) { fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } if((fd = open(argv[1],O_WRONLY)) < 0) { fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } printf("open for write success.\n"); return 0; }
B.open for read
#include#include #include #include #include #include #include int main(int argc,char *argv[]) { int fd; if(argc < 2) { fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]); exit(EXIT_FAILURE); } if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST) { fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } if((fd = open(argv[1],O_RDONLY)) < 0) { fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } printf("open for read success.\n"); return 0; }
探究发现，如果open时没有使用O_NONBLOCK参数，我们发现不论读端还是写端先打开，先打开者都会阻塞，一直阻塞到另一端打开。
读者自己可以探究，如果open时使用了O_NONBLOCK参数，此时打开FIFO 又会是什么情况?
1.4有名管道的读写规则
A.从FIFO中读取数据
约定：如果一个进程为了从FIFO中读取数据而以阻塞的方式打开FIFO， 则称内核为该进程的读操作设置了阻塞标志
<1>如果有进程为写而打开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返回-1,当前errno值为EAGAIN,提醒以后再试。
<2>对于设置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，但有其他进程正在读这些数据；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,不论写入数据量的大小，也不论读操作请求多少数据量。
<3>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
<4>如果写端关闭，管道中有数据读取管道中的数据，如果管道中没有数据读端将不会继续阻塞，此时返回0。
注意：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。
B.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设置了阻塞标志。
对于设置了阻塞标志的写操作:
<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。
注意：只有读端存在，写端才有意义。如果读端不在，写端向FIFO写数据，内核将向对应的进程发送SIGPIPE信号（默认终止进程）；
案例一、
write to FIFO
#include
#include #include #include #include #include #include #define MAX 655360 int main(int argc,char *argv[]) { int n,fd; char buf[MAX]; if(argc < 2) { fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]); exit(EXIT_FAILURE); } if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST) { fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } if((fd = open(argv[1],O_WRONLY )) < 0) { fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } printf("open for write success.\n"); while(1) { printf(">"); scanf("%d",&n); n = write(fd,buf,n); printf("write %d bytes.\n",n); } exit(EXIT_SUCCESS); }
read from FIFO
#include#include #include #include #include #include #include #define MAX 655360 int main(int argc,char *argv[]) { int fd,n; char buf[MAX]; if(argc < 2) { fprintf(stderr,"usage : %s argv[1].\n",argv[0]); exit(EXIT_FAILURE); } if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST) { fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } if((fd = open(argv[1],O_RDONLY )) < 0) { fprintf(stderr,"Fail to open %s : %s.\n",argv[1],strerror(errno)); exit(EXIT_FAILURE); } printf("open for read success.\n"); while(1) { printf(">"); scanf("%d",&n); n = read(fd,buf,n); printf("Read %d bytes.\n",n); } exit(EXIT_SUCCESS); }
读者可以将这两个程序运行，然后输入read和write FIFO大小就可以看到效果。