管道和FIFO

1. 管道（pipe）

      管道在Unix及Linux进程间通信是最基础的，很容易理解。管道就像一个自来水管，一端注入水，一端放出水，水只能在一个方向上流动，而不能双向流动。管道是典型的单向通信，即计算机网络中所说的“半双工”。管道又名匿名管道，所以只能用在具有公共祖先的进程之间使用，通常使用在父子进程之间通信。通常是父进程创建一个管道，然后fork一个子进程，此后父子进程共享这个管道进行通信。

　　管道由pipe函数创建，函数原型如下：

      #include<unistd.h>

      int　　pipe(int fd[2]); 成功返回0，否则返回-1；参数fd返回两个文件描述符，fd[0]为读，fd[1]为写，fd[1]的输入是fd[0]的输出。即fd[0]对应读端，fd[1]对应写端。

      举例说明一下管道的用法：模拟client-server通信过程，父进程模拟client，子进程模拟server。server向client发送一个字符串，client接收到输出到屏幕。

　　

 1 #include <unistd.h>
 2 #include <stdio.h>
 3 #include <stdlib.h>
 4 #include <sys/types.h>
 5 #include <errno.h>
 6 #include <string.h>
 7 
 8 int main()
 9 {
10     int fd[2];
11     pid_t childpid;
12     char buf[100];
13 
14     memset(buf,0,100);
15     //创建一个管道
16     if(pipe(fd) == -1)
17     {
18         perror("pipe() error");
19         exit(-1);
20     }
21     //创建一个子进程
22     childpid = fork();
23     if(childpid == 0)
24     {
25         printf("server input a message : ");
26         scanf("%s",buf);
27         //关闭读端
28         close(fd[0]);
29         write(fd[1],buf,strlen(buf));
30         exit(0);
31     }
32     if(childpid == -1)
33     {
34         perror("fork() error");
35         exit(-1);
36     }
37     //父进程关闭写端
38     close(fd[1]);
39     read(fd[0],buf,100);
40     printf("client read a message: %s\n",buf);
41     waitpid(childpid,NULL,0);
42     return 0;
43 }

程序执行结果如下：

上面程序的细节问题在于子进程需要关闭读端，父进程需要关闭写端。因为管道最早提出时候是单向，虽然现在有些系统提供全双工的管道。那么如何采用管道实现双向通信呢？很显然我们需要两个管道，控制两个不同的数据流向。现在有模拟一个Client和Server双向通信的过程，Client与Server之间可以相互发送和接收信息。此时需要两个管道进行模拟，管道1模拟Server写Client读数据流向，管道2模拟Client写Server读数据流向。代码如下所示：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int fd1[2],fd2[2];
    pid_t childpid;
    char buf[100];

    memset(buf,0,100);
    
    if(pipe(fd1) == -1)
    {
        perror("pipe() error");
        exit(-1);
    }
    if(pipe(fd2) == -1)
    {
        perror("pipe() error");
        exit(-1);
    }
    childpid = fork();
    if(childpid == 0)
    {
        printf("Server input a message : ");
        gets(buf);
        close(fd1[0]);
        close(fd2[1]);
        write(fd1[1],buf,strlen(buf));
        read(fd2[0],buf,100);
        printf("Server received message from client:%s\n",buf);
        exit(0);
    }
    if(childpid == -1)
    {
        perror("fork() error");
        exit(-1);
    }
    close(fd1[1]);
    close(fd2[0]);
    read(fd1[0],buf,100);
    printf("Client receive a message from server: %s\n",buf);
    printf("Client input a message : ");
    gets(buf);
    write(fd2[1],buf,strlen(buf));
    waitpid(childpid,NULL,0);
    return 0;
}

程序执行结果如下：

　　2 FIFO(first in first out)

　　FIFO又名有名管道，相对于上述管道而言。管道没有名字，因此只能在具有共同祖先进程的各个进程之间通信，无法在无亲缘关系的两个进程之间创建一个管道进行通信。为此有了FIFO，类似管道，也是一个单向（半双工）数据流，每个FIFO有一个路径名与之关联，从而允许无亲缘关系的进程访问同一个FIFO。FIFO有mkfifo函数创建。

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char *pathname,mode_t mode); 成功返回0，出错返回-1。pathname是一个普通的路径名，是FIFO的名字，mode指定文件的权位。

在创建FIFO后，必须打开来读或者打开来写，不能打开来既读既写（因为FIFO是半双工）。现在采用FIFO实现上面的第二个例子，代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>

#define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)

#define FIFO1   "/tmp/fifo.1"
#define FIFO2   "/tmp/fifo.2"

int main()
{
    int readfd,writefd;
    pid_t   childpid;
    char buf[100];
    memset(buf,0,100);
    //创建FIFO
    if((mkfifo(FIFO1,FILE_MODE) < 0) && (errno != EEXIST))
    {
        perror("mkfifo() error");
        exit(-1);
    }
    if((mkfifo(FIFO2,FILE_MODE) < 0) && (errno != EEXIST))
    {
        unlink(FIFO1);
        perror("mkfifo() error");
        exit(-1);
    }
     //创建子进程
    childpid = fork();
    if(childpid == 0)
    {
        readfd = open(FIFO1,O_RDONLY,0);
        writefd = open(FIFO2,O_WRONLY,0);
        printf("Server input a message: ");
        gets(buf);
        write(writefd,buf,strlen(buf));
        read(readfd,buf,100);
        printf("Server received a message from Client: %s\n",buf);
        exit(0);
    }
    if(childpid == -1)
    {
        perror("frok() error");
        exit(-1);
    }
     //防止死锁，注意顺序
    writefd = open(FIFO1,O_WRONLY,0);
    readfd = open(FIFO2,O_RDONLY,0);
    read(readfd,buf,100);
    printf("Client received a message form Server: %s\n",buf);
    printf("Client input a mesage: ");
    gets(buf);
    write(writefd,buf,strlen(buf));
    waitpid(childpid,NULL,0);
    close(readfd);
    close(writefd);
    unlink(FIFO1);
    unlink(FIFO2);
    return 0;
}

运行结果如下：

 上面的程序当中父进程打开FIFO的顺序不能颠倒，否则会造成死锁。因为在当前没有任何进程打开某个FIFO来写的时候，打开该FIFO来读的进程将会阻塞。交换父进程中两个open的调用顺序后，父子进程都将打开同一个FIFO进行读，而当前没有任何进程来打开该文件进行写，于是父子进程都阻塞，造成死锁。

下面采用FIFO实现无亲缘关系的两个进程之间的通信。Client与Server是两个独立的进程。

//公共同文件fifo.h
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>

#define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)

#define FIFO1   "/tmp/fifo.1"
#define FIFO2   "/tmp/fifo.2"

//server进程 server.c 
#include "fifo.h"

int main()
{
    int readfd,writefd;
    pid_t   childpid;
    char buf[100];
    memset(buf,0,100);
    //创建FIFO
    if((mkfifo(FIFO1,FILE_MODE) < 0) && (errno != EEXIST))
    {
        perror("mkfifo() error");
        exit(-1);
    }
    if((mkfifo(FIFO2,FILE_MODE) < 0) && (errno != EEXIST))
    {
        unlink(FIFO1);
        perror("mkfifo() error");
        exit(-1);
    }
    readfd = open(FIFO1,O_RDONLY,0);
    writefd = open(FIFO2,O_WRONLY,0);
    printf("Server input a message: ");
    gets(buf);
    write(writefd,buf,strlen(buf));
    read(readfd,buf,100);
    printf("Server received a message from Client: %s\n",buf);
    return 0;
}

//client进程 client。c
#include "fifo.h"

int main()
{
    int readfd,writefd;
    pid_t   childpid;
    char buf[100];
    memset(buf,0,100);
    //创建FIFO
    if((mkfifo(FIFO1,FILE_MODE) < 0) && (errno != EEXIST))
    {
        perror("mkfifo() error");
        exit(-1);
    }
    if((mkfifo(FIFO2,FILE_MODE) < 0) && (errno != EEXIST))
    {
        unlink(FIFO1);
        perror("mkfifo() error");
        exit(-1);
    }

     //防止死锁，注意顺序
    writefd = open(FIFO1,O_WRONLY,0);
    readfd = open(FIFO2,O_RDONLY,0);
    read(readfd,buf,100);
    printf("Client received a message form Server: %s\n",buf);
    printf("Client input a mesage: ");
    gets(buf);
    write(writefd,buf,strlen(buf));
    close(readfd);
    close(writefd);
    unlink(FIFO1);
    unlink(FIFO2);
    return 0;
}

先执行server进程，然后执行client进程：结果如下：

以上介绍了管道和FIFO的操作方法。

参考资料：

《Unix环境高级编程》