Linux中的pipe(管道)与named pipe(FIFO 命名管道)

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1. pipe匿名管道
2. named pipe(FIFO)有名管道

1. pipe匿名管道

管道是Linux中很重要的一种通信方式，是把一个程序的输出直接连接到另一个程序的输入，常说的管道多是指无名管道，无名管道只能用于具有亲缘关系的进程之间，这是它与有名管道的最大区别。管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一，具有以下特点

1. 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  
2. 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)
3. 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 
4. 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 

0x1: 管道的读写规则

管道两端可分别用描述字fd[0]、fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的

1. 即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端
2. 另一端则只能用于写，由描述字fd[1]来表示，称其为管道写端

如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道，如close、read、write等等

1. 从管道中读取数据

1. 如果管道的写端不存在，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 
2. 当管道的写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF，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，则返回管道中现有数据字节数 

pycode

import os, sys

if __name__ == '__main__':
    print "The child will write text to a pipe and "
    print "the parent will read the text written by child..."

    # file descriptors r, w for reading and writing
    r, w = os.pipe()

    processid = os.fork()
    if processid:
        # This is the parent process
        # Closes file descriptor w
        os.close(w)
        r = os.fdopen(r)
        print "Parent reading"
        str = r.read()
        print "text =", str
        sys.exit(0)
    else:
        # This is the child process
        os.close(r)
        w = os.fdopen(w, 'w')
        print "Child writing"
        w.write("Text written by child...")
        w.close()
        print "Child closing"
        sys.exit(0)

2. 向管道中写入数据

1. 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。如果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 
2. 只有在管道的读端存在时，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SIFPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略(默认动作则是应用程序终止)

pycode: 写端对读端存在的依赖性

import os, sys

if __name__ == '__main__':
    print "The child will write text to a pipe and "
    print "the parent will read the text written by child..."

    # file descriptors r, w for reading and writing
    r, w = os.pipe()

    processid = os.fork()
    if processid:
        # This is the parent process
        os.close(w)
        os.close(r)
        sys.exit(0)
    else:
        # This is the child process
        os.close(r)
        w = os.fdopen(w, 'w')
        print "Child writing"
        w.write("Text written by child...")
        w.close()
        print "Child closing"
        sys.exit(0)

则输出结果为： Broken pipe,原因就是该管道以及它的所有fork()产物的读端都已经被关闭。因此，在向管道写入数据时，至少应该存在某一个进程，其中管道读端没有被关闭，否则就会出现上述错误（管道断裂,进程收到了SIGPIPE信号，默认动作是进程终止）

从原理上，管道利用fork机制建立，从而让两个进程可以连接到同一个PIPE上。最开始的时候，上面的两个箭头都连接在同一个进程Process 1上(连接在Process 1上的两个箭头)。当fork复制进程的时候，会将这两个连接也复制到新的进程(Process 2)。随后，每个进程关闭自己不需要的一个连接 (两个黑色的箭头被关闭; Process 1关闭从PIPE来的输入连接，Process 2关闭输出到PIPE的连接)，这样，剩下的红色连接就构成了如上图的PIPE

0x2: 管道应用实例

1. 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，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 | grep SIGRTMIN  
30) SIGPWR    31) SIGSYS    32) SIGRTMIN    33) SIGRTMIN+1
34) SIGRTMIN+2    35) SIGRTMIN+3    36) SIGRTMIN+4    37) SIGRTMIN+5
38) SIGRTMIN+6    39) SIGRTMIN+7    40) SIGRTMIN+8    41) SIGRTMIN+9
42) SIGRTMIN+10    43) SIGRTMIN+11    44) SIGRTMIN+12    45) SIGRTMIN+13
46) SIGRTMIN+14    47) SIGRTMIN+15    48) SIGRTMAX-15    49) SIGRTMAX-14

2. 用于具有亲缘关系的进程间通信

0x3: 管道实现细节

在 Linux 中，管道的实现并没有使用专门的数据结构，而是借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。通过将两个 file 结构指向同一个临时的 VFS 索引节点，而这个 VFS 索引节点又指向一个物理页面而实现的

有两个 file 数据结构，但它们定义文件操作例程地址是不同的，其中一个是向管道中写入数据的例程地址，而另一个是从管道中读出数据的例程地址。这样，用户程序的系统调用仍然是通常的文件操作，而内核却利用这种抽象机制实现了管道这一特殊操作

0x4: 管道的局限性

管道的主要局限性正体现在它的特点上

1. 只支持单向数据流 
2. 只能用于具有亲缘关系的进程之间 
3. 没有名字
4. 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)
5. 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 

Relevant Link:

https://linux.die.net/man/2/pipe
https://www.cnblogs.com/chengmo/archive/2010/10/21/1856577.html
http://ryanstutorials.net/linuxtutorial/piping.php
http://hwchiu.logdown.com/posts/1733-c-pipe
https://www.tutorialspoint.com/python/os_pipe.htm

2. named pipe(FIFO)有名管道

为了解决飞亲属进程间通信这一问题，Linux提供了FIFO方式连接进程。FIFO又叫做命名管道(named PIPE)

FIFO (First in, First out)为一种特殊的文件类型，它在文件系统中有对应的路径。当一个进程以读(r)的方式打开该文件，而另一个进程以写(w)的方式打开该文件，那么内核就会在这两个进程之间建立管道，所以FIFO实际上也由内核管理，不与硬盘打交道

。之所以叫FIFO，是因为管道本质上是一个先进先出的队列数据结构，最早放入的数据被最先读出来，从而保证信息交流的顺序。FIFO只是借用了文件系统(file system,命名管道是一种特殊类型的文件，因为Linux中所有事物都是文件，它在文件系统中以文件名的形式存在)来为管道命名。写模式的进程向FIFO文件中写入，而读模式的进程从FIFO文件中读出。当删除FIFO文件时，管道连接也随之消失

0x1: 有名管道的操作规则

1. 有名管道的打开规则

1. 如果当前打开操作是为读而打开FIFO时
    1) 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
    2) 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)
    3) 或者，成功返回(当前打开操作没有设置阻塞标志)
2. 如果当前打开操作是为写而打开FIFO时
    1) 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
    2) 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)
    3) 或者，返回ENXIO错误(当前打开操作没有设置阻塞标志)

2. 有名管道的读写规则

1. 从FIFO中读取数据: 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。
    1) 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 
    2) 对于设置了阻塞标志的读操作说，造成阻塞的原因有两种，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 
        2.1) 当前FIFO内有数据，但有其它进程在读这些数据
        2.2) 另外就是FIFO内没有数据 
    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)
    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 
 
2. 向FIFO中写入数据: 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 
    1) 对于设置了阻塞标志的写操作 
        1.1) 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 
        1.2) 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 
    2) 对于没有设置阻塞标志的写操作 
        2.1) 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 
        2.2) 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 

pycode1

from subprocess import *
import os

if __name__ == '__main__':
    FIFO_PATH = '/tmp/my_fifo'

    if os.path.exists(FIFO_PATH):
        os.unlink(FIFO_PATH)

    if not os.path.exists(FIFO_PATH):
        os.mkfifo(FIFO_PATH)
        my_fifo = open(FIFO_PATH, 'w+')
        print "my_fifo:", my_fifo

    pipe = Popen('/bin/date', shell=False, stdin=PIPE, stdout=my_fifo, stderr=PIPE)

    print open(FIFO_PATH, 'r').readline()

    os.unlink(FIFO_PATH)

pycode2

# -*- coding: utf-8 -*-

import io,win32file,win32pipe, win32api
import msvcrt as ms # for fd magic

class pipe(io.IOBase):
    def __init__(self, name, pipetype = 'server', openmode = win32pipe.PIPE_ACCESS_DUPLEX|win32file.FILE_FLAG_OVERLAPPED,
                     pipemode = win32pipe.PIPE_TYPE_BYTE|win32pipe.PIPE_NOWAIT,maxinstances=255,outbuffersize=1000000,inbuffersize=1000000,
                     defaulttimeout=50, securityattrib = None):
                """ An implementation of a file-like python object pipe. Documentation can be found at https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/aa365150(v=vs.85).aspx"""
                self.pipetype = pipetype
                self.name = name
                self.openmode = openmode
                self.pipemode = pipemode
                self.__enter__ = self.connect
                if pipetype == 'server':
                    self.handle = win32pipe.CreateNamedPipe(r"\.pipe\%s" % name,
                                                                openmode,      # default PIPE_ACCESS_DUPLEX|FILE_FLAG_OVERLAPPED
                                                                pipemode,      # default PIPE_TYPE_BYTE|PIPE_NOWAIT
                                                                maxinstances,  # default 255
                                                                outbuffersize, # default 1000000
                                                                inbuffersize,  # default 1000000
                                                                defaulttimeout,# default 50
                                                                securityattrib)# default None
                elif pipetype == 'client':
                    # it doesn't matter what type of pipe the server is so long as we know the name
                    self.handle = win32file.CreateFile(r"\.pipe\%s" % name,
                              win32file.GENERIC_READ | win32file.GENERIC_WRITE,
                              0, None,
                              win32file.OPEN_EXISTING,
                              0, None)
                self.fd = ms.open_osfhandle(self.handle,0)
                self.is_connected = False
                self.flags,self.outbuffersize,self.inbuffersize,self.maxinstances = win32pipe.GetNamedPipeInfo(self.handle)
    def connect(self): # TODO: WaitNamedPipe ?
        win32pipe.ConnectNamedPipe(self.handle,None)
        self.is_connected = True
    def __del__(self):
        print("del initiated")
        try:
            self.write(b'') # try to clear up anyone waiting
        except win32pipe.error: # no one's listening
            pass
        self.close()
    def __exit__(self):
        print("exit started")
        self.__del__()
    def isatty(self): #Return True if the stream is interactive (i.e., connected to a terminal/tty device).
        return False
    def seekable(self):
        return False
    def fileno(self):
        return self.fd
    def seek(self): # seek family
        raise IOError("Not supported")
    def tell(self): # Part of the seek family. Not supported
        raise IOError("Not supported")
    def write(self,data): # WriteFileEx impossible due to callback issues.
        if not self.is_connected and self.pipetype == 'server':
                self.connect()
        if type(data).__name__ != 'bytes': # if we don't get bytes, make it bytes
                data = bytes(data)
        win32file.WriteFile(self.handle,data)
        return len(data)
    def close(self):
        print("closure started")
        win32pipe.DisconnectNamedPipe(self.handle)
    def read(self,length=None):
        if length == None:
                length=self.inbuffersize
        resp = win32file.ReadFile(self.handle,length)
        if resp[0] != 0:
            raise __builtins__.BrokenPipeError(win32api.FormatMessage(resp[0]))
        else:
            return resp[1]

if __name__ == '__main__':
    server = pipe("mypipename")
    client = pipe("mypipename", "client")
    client.write("hello")
    print server.read()

    server.write("words")
    print client.read()

Relevant Link:

http://quickies.seriot.ch/?id=241
https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part1/
https://codereview.stackexchange.com/questions/88672/python-wrapper-for-windows-pipes 
https://bytes.com/topic/python/answers/28069-sharing-pipes-win32
https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/aa365783(v=vs.85).aspx
https://kodedevil.wordpress.com/2015/11/11/2-linux-fifo-in-python-autonomous-robot/
http://blog.csdn.net/gexueyuan/article/details/6428584
http://liwei.life/2016/07/18/pipe/
http://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/11/03/2751593.html

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