Linux进程通信

无名管道（PIPE）和有名管道（FIFO）都是UNIX进程间通信（InterProcess Communication，简称IPC）的手段。

无名管道PIPE

管道特点

管道通常指无名管道，是IPC最古老的形式。管道有何特点？

1. 半双工通信，具有固定的读端、写端（单向传输数据）；
2. 管道只能在具有公共祖先的2个进程间使用，通常是父子进程；

管道的创建

管道由pipe函数创建，见pipe(2) — Linux manual page

#include <unistd.h>
/* fd返回2个文件描述符：fd[0]为读而打开；fd[1]为写而打开。fd[1]的输出是fd[0]的输入 */
int pipe(int fd[2]);

/* 提供位元选项可设置。flags=0时，pipe2同pipe。
 * 常用选项：O_NONBLOCK
 */
int pipe2(int fd[2], int flags);

通过fd[0]调用read()读取数据的一端，叫读端；通过fd[1]调用write()写数据的一端进程，叫写端。

通常的创建模型：

int pipefd[2];
ret = pipe(pipefd);
fork();

管道的状态

同一个进程使用管道没有意义，因为管道专门用于进程间通信。进程内的通信使用全局变量即可。要实现父子进程的通信，创建管道后，需要关闭一个读端，一个写端。比如一个从父进程到子进程的管道，父进程关闭fd[0]，子进程关闭fd[1]。

单进程半双工管道（无意义状态）

fork子进程后的半双工管道（创建后的初始状态）

父进程到子进程的管道（理想状态）

管道的使用规则

当管道的一端被关闭后，下面的规则起作用：

1. 读端和写端都可以对应多个进程，但通常一个管道只有一个读进程和一个写进程；
2. 当读一个写端已关闭的管道时，在所有数据都被读取后，read返回0，表示文件结束（只要还有一个写端还有进程，就不会产生文件的结束）；
3. 如果写一个读端已关闭的管道，会产生信号SIGPIPE。如果忽略该信号，或者捕捉该信号从并从其处理程序返回，则write返回-1，errnor=EPIPE。

查看打开的管道文件

管道是文件的一种，/proc/PID/fd（这里PID是打开管道的进程id）下可以查看进程打开的管道文件：

$ ll /proc/2889/fd
...

管道的内存区域大小

write写管道时，要求写的字节数 <= PIPE_BUF （内核的管道缓冲区大小）。多个进程同时写一个管道，可能造成写的字节数超过PIPE_BUF，所写数据可能会与其他进程所写数据相互交叉。
调用fcntl，pathconf或fpathconf函数，可确定PIPE_BUF的值。

// 获取管道大小
pipe_capacity = fcntl(fd, ?F_GETPIPE_SZ);
// 设置管道的大小
ret = fcntl(fd, ?F_SET_PIPE_SZ, size);

管道内存区域的大小必须在页面大小（PAGE）和上限值之间。上限值记录在/proc/sys/fs/pipe-max-size，特权用户可修改该上限值

$ cat /proc/sys/fs/pipe-max-size
1048576

示例

创建父进程到子进程的管道，父进程通过管道向子进程传送数据。

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

#define MAXLINE    80
int main() {
    pid_t pid ;
    int fd[2];
    char buf[MAXLINE];

    int ret = pipe(fd);
    if (ret < 0) {
        perror("pipe error
");
        exit(1);
    }

    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork error");
        exit(1);
    }
    else if (pid == 0) { // child
        close(fd[1]);
        
        int n = read(fd[0], buf, MAXLINE);
        write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    }
    else { // parent
        close(fd[0]);

        char *s = "hello world
";
        write(fd[1], s, strlen(s));

        waitpid(pid, NULL, 0);
        exit(0);
    }

    return 0;
}

有名管道FIFO

有名管道特点

有名管道也叫命名管道，可以解决无名管道只能适用于两个有共同祖先的进程的问题，即使两个不相关的进程也能通过FIFO交换数据。有名管道是一种文件类型，存在于文件系统中，通过stat结构的st_mode成员的编码
有名管道和无名管道本质是一样的，最大的区别是：有名管道有关联的实体文件，而无名管道没有。正因为有关联实体文件，没有亲缘关系的任意两个进程之间，可以通过有名管道进行通信。

创建FIFO文件

使用有名管道前，需要创建FIFO文件，调用mkfifo（C程序）或mkfifo命令（shell环境）

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

/* 创建fifo文件
 * pathname 指定文件名（路径）
 * mode 类似于open，指定FIFO文件的读写执行权利
 */
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

第二个参数指定FIFO文件读写执行权利，但真实的权限还需要按当前进程umask掩码得到：

real_mode = (mode & ~umask);  // 当前进程的umask掩码，可调用umask()获取

打开FIFO文件

通过调用open打开文件，close关闭文件。
不能以O_RDWR（读、写）模式打开FIFO文件，O_RDWR模式打开FIFO文件行为未定义。
使用FIFO文件的方法是：一个进程以只读模式（O_RDONLY）打开FIFO文件，另一个进程以只写模式（O_WRONLY）打开FIFO文件。负责写入FIFO的进程的写入内容，就可以被负责读出FIFO的进程读取到，从而实现通信的目的。

O_NONBLOCK
没有指定O_NONBLOCK模式时，以O_RDONLY只读打开FIFO文件不能返回（处于阻塞状态），等写打开；同样以O_WRONLY只写打开FIFO文件也不能返回，等读打开。O_RDONLY和O_WRONLY请求同时达到FIFO文件时，两个进程的打开请求就都能返回了。
如果指定了O_NONBLOCK，读打开请求在没有写进程的时候，可以成功返回；但是没有读进程的写打开请求，返回-1（失败），errno = ENXIO。
原因：FIFO只有读取端，没有写入端，没有明显的危害，尝试读取FIFO数据的操作不会返回任何数据。相反，如果允许只存在写入端不存在读取端，那么open之后，所有向FIFO文件的写入操作，都会导致产生SIGPIPE信号，以及调用write返回EPIPE的错误。因此，在源头上堵住（open返回失败）该问题反而合理。

添加O_NONBLOCK选项标志
对于无名管道，可以通过pipe2(fd, O_NONBLOCK);来指定O_NONBLOCK选项。
如果忘记为FIFO文件设置O_NONBLOCK标志位，可以通过fcntl：

// 添加O_NONBLOCK标志位
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
flags |= O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, flags);

// 清除O_NONBLOCK标志位
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
flags &= ~O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, flags);

读写FIFO文件

同普通文件操作，通过调用read读文件，write写文件。
写文件的数据量不能超过PIPE_BUF个字节（limits.h），否则不能保证是原子的（内容连续）。多个进程同时写入，写入的内容也不会被其他进程写入内容打断。
PIPE_BUF最少512byte，对Linux是4096（一个页面大小）。

参考Linux进程间通信（一）之无名管道（PIPE）和有名管道（FIFO）
《APUE》