Linux命名管道FIFO的读写规则

《Linux程序设计（第3版）》对于Linux命名管道的读写规则详解的不够详细和清楚，查了些资料，在此总结一下：

 

1.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。

（1）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。

（2）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。

（3）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）。

（4）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。

（5）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。

 

2.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”。

 

一、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。

（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。

 

二、对于没有设置阻塞标志的写操作：

（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。

（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。在写满所有FIFO空闲缓冲区后，写操作返回。

 

3.为了对FIFO读写规则验证：

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命令行参数就可以对各种 FIFO 读写规则进程验证（待续 … ）。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#define FIFO_SERVER "/tmp/fifoserver"
main(int argc,char** argv)
//参数为即将写入的字节数
{
    int fd;
    char w_buf[4096*2];
    int real_wnum;
    memset(w_buf,0,4096*2);
    if((mkfifo(FIFO_SERVER,O_CREAT|O_EXCL)<0)&&(errno!=EEXIST))
        printf("cannot create fifoserver\n");
    if(fd==-1)
        if(errno==ENXIO)
            printf("open error; no reading process\n");
       
         fd=open(FIFO_SERVER,O_WRONLY|O_NONBLOCK,0);
    //设置非阻塞标志
    //fd=open(FIFO_SERVER,O_WRONLY,0);
    //设置阻塞标志
    real_wnum=write(fd,w_buf,2048);
    if(real_wnum==-1)
    {
        if(errno==EAGAIN)
            printf("write to fifo error; try later\n");
    }
    else
        printf("real write num is %d\n",real_wnum);
    real_wnum=write(fd,w_buf,5000);
    //5000用于测试写入字节大于4096时的非原子性
    //real_wnum=write(fd,w_buf,4096);
    //4096用于测试写入字节不大于4096时的原子性
   
    if(real_wnum==-1)
        if(errno==EAGAIN)
            printf("try later\n");
}

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#define FIFO_SERVER "/tmp/fifoserver"
main(int argc,char** argv)
{
    char r_buf[4096*2];
    int  fd;
    int  r_size;
    int  ret_size;
    r_size=atoi(argv[1]);
    printf("requred real read bytes %d\n",r_size);
    memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
    fd=open(FIFO_SERVER,O_RDONLY|O_NONBLOCK,0);
    //fd=open(FIFO_SERVER,O_RDONLY,0);
    //在此处可以把读程序编译成两个不同版本：阻塞版本及非阻塞版本
    if(fd==-1)
    {
        printf("open %s for read error\n");
        exit();   
    }
    while(1)
    {
       
        memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
        ret_size=read(fd,r_buf,r_size);
        if(ret_size==-1)
            if(errno==EAGAIN)
                printf("no data avlaible\n");
        printf("real read bytes %d\n",ret_size);
        sleep(1);
    }   
    pause();
    unlink(FIFO_SERVER);
}

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。