Linux学习笔记25——命名管道(FIFO)

1 命名管道(FIFO)

      管道应用的一个重大缺陷就是没有名字，因此只能用于亲缘进程之间的通信。后来从管道为基础提出命名管道（named pipe，FIFO）的概念，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。

2 命名管道的创建

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h> 
int mkfifo(const char *pathname,　　　　//文件的路径
　　　　　　 mode_t mode　　　　　　　　　　//和open函数mode一样
　　　　　　);

　　如果pathname路径下的文件已经存在，则mkfifo返回-1，errono将会返回EEXIST。

3 命名管道操作

       FIFO在文件系统中表现为一个文件，大部分的系统文件调用都可以在FIFO上面，比如：read,open,write,close,unlink,stat等函数，但是seek函数不能对FIFO调用。

      可以调用open打开FIFO，请注意以下方面： 

           A 当以阻塞（未指定O_NONBLOCK）方式只读打开FIFO的时候，则将会被阻塞，直到有其他进程以写方式打开该FIFO。
           B 类似的，当以阻塞（未指定O_NONBLOCK）方式只写打开FIFO的时候，则将会被阻塞，直到有其他进程以读方式打开该FIFO
           C 当以非阻塞方式（指定O_NONBLOCK）方式只读打开FIFO的时候，则立即返回。当只写open时，如果没有进程为读打开FIFO，则返回-1，其errno是ENXIO

　　如果写入管道的数据量小于等于PIPE_BUF，则系统保证write为原子操作，多个进程同时写管道，将不会出现穿插；如果写入数据量大于PIPE_BUF，则系统将不保证write为原子操作，多个进程同时写管道，则将有可能会穿插写入。这个规则在命名管道中继续适用。

 

4 应用实例

     本例为一个client-server模式，服务器端将会创建一个闻名fifo文件（本例中为“/tmp/server”），并读取该fifo文件。客户端则打开该fifo文件，并把其请求写入该FIFO文件。服务器端读取该命令并执行之。

     服务器端的代码为：

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

#define SERVER_FIFO_NAME "/tmp/serv_fifo"
#define CLIENT_FIFO_NAME "/tmp/cli_%d_fifo"
#define BUFFER_SIZE 20

struct data_to_pass_st{
    pid_t client_pid;
    char some_data[BUFFER_SIZE-1];
};

int main(){
    int server_fifo_fd,client_fifo_fd;
    struct data_to_pass_st mydata;
    int read_res;
    char client_fifo[256];
    char *tmp_char_ptr;
    
    mkfifo(SERVER_FIFO_NAME,0777);
    server_fifo_fd=open(SERVER_FIFO_NAME,O_RDONLY);
    if(server_fifo_fd==-1){
        fprintf(stderr,"Server fifo failure
");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    sleep(10);
    do{
        read_res=read(server_fifo_fd,&mydata,sizeof(mydata));
        if(read_res>0){
            tmp_char_ptr=my_data.some_data;
            while(*tmp_char_ptr>0){
                //把some_data中的所有字符全部转换为大写
                *tmp_char_ptr=toupper(*tmp_char_ptr);
                tmp_char_ptr++;
            }
            sprintf(client_fifo,CLIENT_FIFO_NAME,my_data.client_pid);
            client_fifo_fd=open(client_fifo,O_WRONLY);
            if(client_fifo_fd!=-1){
                write(client_fifo_fd,&my_data,sizeof(my_data));
                close(client_fifo_fd);
            }
            
        }
    }while(read_res>0);
    close(server_fifo_fd);
    unlink(SERVER_FIFO_NAME);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

　　客户端代码为：

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

#define SERVER_FIFO_NAME "/tmp/serv_fifo"
#define CLIENT_FIFO_NAME "/tmp/cli_%d_fifo"
#define BUFFER_SIZE 20

struct data_to_pass_st{
    pid_t client_pid;
    char some_data[BUFFER_SIZE-1];
};

int main(){
    int server_fifo_fd,client_fifo_fd;
    struct data_to_pass_st my_data;
    int times_to_send;
    char client_fifo[256];
    
    server_fifo_fd=open(SERVER_FIFO_NAME,O_WRONLY);
    if(server_fifo_fd==-1){
        fprintf(stderr,"Sorry,no server
");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    my_data.client_pid=getpid();
    sprintf(client_fifo,CLIENT_FIFO_NAME,my_data.client_pid);
    if(mkfifo(client_fifo,0777)==-1){
        fprintf(stderr,"Sorry,can't make %s
",client_fifo);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    for(times_to_send=0;times_to_send<5;times_to_send++){
        sprintf(my_data.some_data,"Hello from %d",my_data.client_pid,my_data.some_data);
        write(server_fifo_fd,&my_data,sizeof(my_data));
        client_fifo_fd=open(client_fifo,O_RDONLY);
        if(client_fifo_fd!=-1){
            if(read(client_fifo_fd,&my_data,sizeof(my_data))>0){
                printf("received:%s
",my_data.some_data);
            }
            close(client_fifo_fd);
        }
    }
    close(server_fifo_fd);
    unlink(client_fifo);
    exit(EXIT_SUCCESS);
    
}

5 总结

     与管道相比，FIFO最大的特点就是其在文件系统中有fifo文件存在，这样就可以做到进程间通信。

6  FIFO的缺点
     当然FIFO也有它的局限性。客户端可以发请求到服务器，但前提是要知道一个公共的FIFO通道，对于实现服务器回传应答到客户端的问题，可以通过为每一个客户端创建一个专用的FIFO，来实现回传应答。但也有不足，服务器会同时应答成千上万个客户端，创建如此多的FIFO是否会使系统负载过大，相应的如何判断客户端是否因意外而崩溃成为难题，或者客户端不读取应答直接退出，所以服务器必须处理SIGPIPE信号，并做相应处理。（当没有进程为读打开FIFO文件时，write函数进行写操作会产生SIGPIPE信号）