Linux下进程间通信：命名管道-mkfifo

Linux下进程间通信：命名管道-mkfifo

由 lgb 于 星期日, 2010/09/12 - 21:24 发表 

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• 进程间通信

摘要：进程间通信的方法有很多，FIFO与管道是最古老，也是相对来说更简单的一个通信机制。FIFO相对管道有一个优势，就是FIFO只要求两个进程是同一主机的，而不要求进程之间存在亲缘关系。FIFO是存在于文件系统的文件，可以使用诸如open、read、write等函数来操作。本文总结网络和APUE关于FIFO讨论，同时参考了Linux系统手册。

FIFO（命名管道）概述

FIFO是一种进程通信机制，它突破通常管道无法进行无关进程之间的通信的限制，使得同一主机内的所有的进程都可以通信。FIFO是一个文件类型，stat结构中st_mode指明一个文件结点是不是一个FIFO，可以使用宏S_ISFIFO来测试这一点。

当一个FIFO存在于文件系统里时，我们只需要在想进行通信的进程内打开这个文件就可以了。当然FIFO作为一个特殊的文件，它有一些不同普通文件特性，下面会详细详述它的读写规则，这些相对精通文件来有一定的区别。

我们可以使用open、read、write来操作FIFO文件，从而实现进程间通信的目的。在shell环境下，也可以直接使用FIFO，这时往往与重写向有一些关联，一般系统都提供mkfifo实用程序来创建一个FIFO文件，这个程序实际上使用mkfifo系统调用来完成这个事。

mkfifo函数

mkfifo创建一个指定名字的FIFO，它的函数原型如下：

#include<sys/stat.h>
int mkfifo ( const  char * pathname, mode_t mode ) ;
返回值：成功， 0；失败， - 1

参数pathname指出想要创建的FIFO路径，参数mode指定创建的FIFO访问模式。这个访问会与当前进程的umask进程运算，以产生实际应用的权限模式。

mkfifo返回-1时表示创建过程中遇到某种错误，此时会设置errno，用户可以检测errno来取得进一步信息：

• EACCES： 路径所在的目录不允许执行权限
• EEXIST：路径已经存在，这时包括路径是一个符号链接，无论它是悬空还没有悬空。
• ENAMETOOLONG：要么全部的文件名大于PATH_MAX，要么是单独的文件名大于NAME_MAX。在GNU系统里没有这个文件名长度的限制，但在其它系统里可能存在。
• ENOENT：目录部分不存在，或者是一个悬空链接。
• ENOTDIR：目录部分不一个目录。
• EROFS：路径指向一个只读的文件系统。

命名管道读写规则

FIFO又叫命名管道，事实上它与管道确实在下许多相似之处，下面关于规则的讨论很体现这个相似。

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了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为空，则对于设置了阻塞标志的读操作来说，将一直阻塞下去，直到有数据可以读时才继续执行；对于没有设置阻塞标志的读操作来说，则返回0个字节，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：一、当前FIFO内有数据，但有其它进程在读这些数据；二、FIFO本身为空。
  解阻塞的原因是：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，只要有数据写入即可。
• 读打开的阻塞标志只对本进程第一个读操作施加作用，如果本进程中有多个读操作序列，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。
• 如果FIFO中有数据，则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数少于请求的字节数而阻塞，此时，读操作会返回FIFO中现有的数据量。

从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。

FIFO的长度是需要考虑的一个很重要因素。系统对任一时刻在一个FIFO中可以存在的数据长度是有限制的。它由#define PIPE_BUF定义，在头文件limits.h中。在Linux和许多其他类UNIX系统中，它的值通常是4096字节，Red Hat Fedora9下是4096，但在某些系统中它可能会小到512字节。

虽然对于只有一个FIFO写进程和一个FIFO的读进程而言，这个限制并不重要，但只使用一个FIFO并允许多个不同进程向一个FIFO读进程发送请求的情况是很常见的。如果几个不同的程序尝试同时向FIFO写数据，能否保证来自不同程序的数据块不相互交错就非常关键了à也就是说，每个写操作必须“原子化”。

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。即写入的数据长度小于等于PIPE_BUF时，那么或者写入全部字节，或者一个字节都不写入，它属于一个一次性行为，具体要看FIFO中是否有足够的缓冲区。
• 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。

没有设置阻塞标志的写操作：

• 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。
• 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。

FIFO示例

本段给出使用FIFO一个示例，它体现了两个使用FIFO的典型情景。

创建FIFO

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
int main ( )
{
         int res  = mkfifo ( "/tmp/my_fifo", 0777 ) ;
         if (res  == 0 )
         {
                 printf ( "FIFO created\n" ) ;
         }
         exit ( EXIT_SUCCESS ) ;
}

使用FIFO

#include<errno.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>

FIFO  "/tmp/my_fifo"
//本程序从一个FIFO读数据，并把读到的数据打印到标准输出
//如果读到字符“Q”，则退出
int main ( int argc,  char ** argv )
{
         char buf_r [100 ] ;
         int fd ;
         int nread ;
         if ( (mkfifo (FIFO, O_CREAT )  < 0 )  &&  ( errno  ! = EEXIST ) )
         {
                 printf ( "不能创建FIFO\n" ) ;
                 exit (1 ) ;
         }

         printf ( "准备读取数据\n" ) ;
        fd  = open (FIFO, O_RDONLY, 0 ) ;
         if (fd  ==  -1 )
         {
                 perror ( "打开FIFO" ) ;
                 exit (1 ) ;
         }

         while (1 )
         {
                 if ( (nread  = read (fd, buf_r, 100 ) )  ==  -1 )
                 {
                         if ( errno  == EAGAIN )  printf ( "没有数据\n" ) ;
                 }

                 //假设取到Q的时候退出
                 if (buf_r [ 0 ] == 'Q' )  break ;

                buf_r [nread ] = 0 ;
                 printf ( "从FIFO读取的数据为：%s\n", buf_r ) ;
                sleep (1 ) ;
         }

}

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