Linux下进程通信之管道

每个进程各自有不同的用户地址空间，任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）。如下图所示。

　　

　　目前进程通信的方式有：

• 管道
• FIFO
• 消息队列
• 信号量
• 共享内存
• 套接字

管道

管道概念

　　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。

管道的创建

#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);
// 返回值：成功返回0，出错返回-1

　　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）。

管道的读写规则

　　从管道中读取数据：

• 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；
• 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（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）。注：（PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定义，不同的内核版本可能会有所不同）。

　　向管道中写入数据：

• 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。 
  注：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）。

简单例子

　　下边是APUE提供的一个例子：

　　

1. 父进程调用pipe开辟管道，得到两个文件描述符指向管道的两端。

2. 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。

3. 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以往管道里写，子进程可以从管道里读。数据从写端流入从读端流出，这样就实现了进程间通信。

　　具体程序如下：

 1 #include <stdlib.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #define MAXLINE 1024
 4 
 5 int main(void)
 6 {
 7     int n;
 8     int fd[2];
 9     pid_t pid;
10     char line[MAXLINE];
11 
12     if (pipe(fd) < 0) 
13     {
14         perror("pipe");
15         exit(1);
16     }
17 
18     pid = fork();
19     if (pid < 0) 
20     {
21         perror("fork");
22         exit(1);
23     }
24     else if (pid > 0)   /* parent */
25     { 
26         close(fd[0]);   // 关闭读端
27         write(fd[1], "hello world
", 12);
28     } 
29     else                /* child */
30     {       
31         close(fd[1]);   // 关闭写端
32         n = read(fd[0], line, MAXLINE);
33         write(STDOUT_FILENO, line, n);
34     }
35 
36     return 0;
37 }

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（现在，某些系统提供全双工管道，但是为了最佳的可移植性，我们决不能预先假定系统提供此特性。）；
• 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；

FIFO

FIFO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。

FIFO的创建

　　创建FIFO原型函数如下：

#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
// 返回值：若成功返回0，出错则返回-1

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。

　　一个简单的程序实例如下：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <sys/types.h>
 4 #include <sys/stat.h>
 5 
 6 int main()
 7 {
 8     int res = mkfifo("/tmp/my_fifo", 0777);
 9     if(res == 0)
10         printf("FIFO created!
");
11     else
12     {
13         printf("Create FIFO fails!
");
14         return 1;
15     }
16 
17     return 0;
18 }

　　编译并执行该程序后，我们可以查看得到所创建的管道：

$ ls -lF /tmp/my_fifo
prwxr-xr-x 1 root root 0 Aug 25 14:19 /tmp/my_fifo|

　　注意：ls命令的输出结果中的第一个字符为p，表示这是一个管道。最后的|符号是由ls命令的-F选项添加的，它也表示是这是一个管道。

　　下边的程序包括了对FIFO的删除（也可直接用命令rm）：

FIFO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）。

FIFO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；

　　关于FIFO读写规则验证程序实例请参照博文Linux环境进程间通信（一）之管道。

与管道异同 

　　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。

参考资料

　　APUE

　　Linux环境进程间通信（一）之管道

　　进程间通信

　　深刻理解Linux进程间通信（IPC）

　　Linux进程间通信之管道(pipe)、命名管道(FIFO)与信号(Signal)