Linux进程间通信

 

Linux环境进程间通信:管道及有名管道

        管道及有名管道

        在本系列序中作者概述了 linux 进程间通信的几种主要手段。其中管道和有名管道是最早的进程间通信机制之一，管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信。 认清管道和有名管道的读写规则是在程序中应用它们的关键，本文在详细讨论了管道和有名管道的通信机制的基础上，用实例对其读写规则进行了程序验证，这样做有利于增强读者对读写规则的感性认识，同时也提供了应用范例。

        1、 管道概述及相关API应用

        1.1 管道相关的关键概念

        管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一，具有以下特点：

        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；
        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）；
        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。
        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：

        #include <unistd.h>int pipe(int fd[2])
        该函数创建的管道的两端处于一个进程中间，在实际应用中没有太大意义，因此，一个进程在由pipe()创建管道后，一般再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管道的读写规则：

-----------------------------------------------------------

 

        1.4管道应用实例：

        实例一：用于shell

        管道可用于输入输出重定向，它将一个命令的输出直接定向到另一个命令的输入。比如，当在某个shell程序（Bourne shell或C shell等）键入who│wc -l后，相应shell程序将创建who以及wc两个进程和这两个进程间的管道。考虑下面的命令行：

        $kill -l 运行结果见附一。

        $kill -l | grep SIGRTMIN 运行结果如下：

　　30) SIGPWR 31) SIGSYS 32) SIGRTMIN 33) SIGRTMIN+134) SIGRTMIN+2 35) SIGRTMIN

        实例二：用于具有亲缘关系的进程间通信

        下面例子给出了管道的具体应用，父进程通过管道发送一些命令给子进程，子进程解析命令，并根据命令作相应处理。

　　#include <unistd.h>#include <sys/types.h>main(){ int pipe_fd[2]; pid_t

        1.5管道的局限性

        管道的主要局限性正体现在它的特点上：

        只支持单向数据流；
        只能用于具有亲缘关系的进程之间；
        没有名字；
        管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；
        管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等；

        2、 有名管道概述及相关API应用

        2.1 有名管道相关的关键概念

        管道应用的一个重大限制是它没有名字，因此，只能用于具有亲缘关系的进程间通信，在有名管道（named pipe或FIFO）提出后，该限制得到了克服。FIFO不同于管道之处在于它提供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（能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间），因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值得注意的是，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。

        2.2有名管道的创建

        #include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode)

        该函数的第一个参数是一个普通的路径名，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的第一个参数是一个已经存在的路径名时，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。一般文件的I/O函数都可以用于FIFO，如close、read、write等等。

        2.3有名管道的打开规则

        有名管道比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）。

        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）。

        对打开规则的验证参见附2。

        2.4有名管道的读写规则

        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说，造成阻塞的原因有两种：当前FIFO内有数据，但有其它进程在读这些数据；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，不论信写入数据量的大小，也不论读操作请求多少数据量。
        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）。
        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。
        注：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。

        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为设置了阻塞标志的写操作。

        对于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。
        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：

        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。
        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；

-----------------------------------------------------------

 

        对FIFO读写规则的验证：

        下面提供了两个对FIFO的读写程序，适当调节程序中的很少地方或者程序的命令行参数就可以对各种FIFO读写规则进行验证。

        程序1：写FIFO的程序

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

        程序应用说明：

        把读程序编译成两个不同版本：

        阻塞读版本:br
        以及非阻塞读版本nbr
        把写程序编译成两个四个版本：

        非阻塞且请求写的字节数大于PIPE_BUF版本：nbwg
        非阻塞且请求写的字节数不大于PIPE_BUF版本：版本nbw
        阻塞且请求写的字节数大于PIPE_BUF版本：bwg
        阻塞且请求写的字节数不大于PIPE_BUF版本：版本bw
        下面将使用br、nbr、w代替相应程序中的阻塞读、非阻塞读

        验证阻塞写操作：

        当请求写入的数据量大于PIPE_BUF时的非原子性：
        nbr 1000
        bwg
        当请求写入的数据量不大于PIPE_BUF时的原子性：
        nbr 1000
        bw
        验证非阻塞写操作：

        当请求写入的数据量大于PIPE_BUF时的非原子性：
        nbr 1000
        nbwg
        请求写入的数据量不大于PIPE_BUF时的原子性：
        nbr 1000
        nbw
        不管写打开的阻塞标志是否设置，在请求写入的字节数大于4096时，都不保证写入的原子性。但二者有本质区别：

        对于阻塞写来说，写操作在写满FIFO的空闲区域后，会一直等待，直到写完所有数据为止，请求写入的数据最终都会写入FIFO；

        而非阻塞写则在写满FIFO的空闲区域后，就返回(实际写入的字节数)，所以有些数据最终不能够写入。

        对于读操作的验证则比较简单，不再讨论。

        2.5有名管道应用实例

        在验证了相应的读写规则后，应用实例似乎就没有必要了。

        小结：

        管道常用于两个方面：（1）在shell中时常会用到管道（作为输入输入的重定向），在这种应用方式下，管道的创建对于用户来说是透明的；（2）用于具有亲缘关系的进程间通信，用户自己创建管道，并完成读写操作。

        FIFO可以说是管道的推广，克服了管道无名字的限制，使得无亲缘关系的进程同样可以采用先进先出的通信机制进行通信。

        管道和FIFO的数据是字节流，应用程序之间必须事先确定特定的传输"协议"，采用传播具有特定意义的消息。

        要灵活应用管道及FIFO，理解它们的读写规则是关键。

        附1：kill -l 的运行结果，显示了当前系统支持的所有信号：

　　1) SIGHUP    2) SIGINT    3) SIGQUIT    4) SIGILL5) SIGTRAP    6) SIGABRT