1、管道概述及相關API應用

1.1 管道相關的關鍵概念

管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一，具有以下特點：

管道是半雙工的，資料只能向一個方向流動；需要雙方通信時，需要建立起兩個管道；
只能用於父子進程或者兄弟進程之間（具有親緣關係的進程）；
單獨構成一種獨立的檔案系統：管道對於管道兩端的進程而言，就是一個檔，但它不是普通的檔，它不屬於某種檔案系統，而是自立門戶，單獨構成一種檔案系統，並且只存在與記憶體中。
資料的讀出和寫入：一個進程向管道中寫的內容被管道另一端的進程讀出。寫入的內容每次都添加在管道緩衝區的末尾，並且每次都是從緩衝區的頭部讀出資料。

1.2管道的創建：

#include 
int pipe(int fd[2])

該函數創建的管道的兩端處於一個進程中間，在實際應用中沒有太大意義，因此，一個進程在由pipe()創建管道後，一般再fork一個子進程，然後通過管道實現父子進程間的通信（因此也不難推出，只要兩個進程中存在親緣關係，這裡的親緣關係指的是具有共同的祖先，都可以採用管道方式來進行通信）。

1.3管道的讀寫規則：

管道兩端可分別用描述字fd[0]以及fd[1]來描述，需要注意的是，管道的兩端是固定了任務的。即一端只能用於讀，由描述字 fd[0]表示，稱其為管道讀端；另一端則只能用於寫，由描述字fd[1]來表示，稱其為管道寫端。如果試圖從管道寫端讀取資料，或者向管道讀端寫入資料都將導致錯誤發生。一般檔的I/O函數都可以用於管道，如close、read、write等等。

從管道中讀取資料：

如果管道的寫端不存在，則認為已經讀到了資料的末尾，讀函數返回的讀出位元組數為0；
當管道的寫端存在時，如果請求的位元組數目大於PIPE_BUF，則返回管道中現有的資料位元組數，如果請求的位元組數目不大於 PIPE_BUF，則返回管道中現有資料位元組數（此時，管道中資料量小於請求的資料量）；或者返回請求的位元組數（此時，管道中資料量不小於請求的資料量）。注：（PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定義，不同的內核版本可能會有所不同。Posix.1要求 PIPE_BUF至少為512位元組，red hat 7.2中為4096）。

關於管道的讀規則驗證：

/**************
* readtest.c *
**************/
#include 
#include 
#include 
main()
{
  int pipe_fd[2];
  pid_t pid;
  char r_buf[100];
  char w_buf[4];
  char* p_wbuf;
  int r_num;
  int cmd;
       
  memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
  memset(w_buf,0,sizeof(r_buf));
  p_wbuf=w_buf;
  if(pipe(pipe_fd)<0)
  {
    printf("pipe create error\n");
    return -1;
  }
       
  if((pid=fork())==0)
  {
    printf("\n");
    close(pipe_fd[1]);
    sleep(3);//確保父進程關閉寫端
    r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,100);
    printf( "read num is %d   the data read from the pipe is %d\n",r_num,atoi(r_buf));
        
    close(pipe_fd[0]);
    exit();
  }
  else if(pid>0)
  {
    close(pipe_fd[0]);//read
    strcpy(w_buf,"111");
    if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!=-1)
      printf("parent write over\n");
    close(pipe_fd[1]);//write
    printf("parent close fd[1] over\n");
    sleep(10);
  }      

}
 /**************************************************
 * 程式輸出結果：
 * parent write over
 * parent close fd[1] over
 * read num is 4   the data read from the pipe is 111
 * 附加結論：
 * 管道寫端關閉後，寫入的資料將一直存在，直到讀出為止.
 ****************************************************/

向管道中寫入資料：

向管道中寫入資料時，linux將不保證寫入的原子性，管道緩衝區一有空閒區域，寫進程就會試圖向管道寫入資料。如果讀進程不讀走管道緩衝區中的資料，那麼寫操作將一直阻塞。
注：只有在管道的讀端存在時，向管道中寫入資料才有意義。否則，向管道中寫入資料的進程將收到內核傳來的SIFPIPE信號，應用程式可以處理該信號，也可以忽略（預設動作則是應用程式終止）。

對管道的寫規則的驗證1：寫端對讀端存在的依賴性

#include 
#include 
main()
{
  int pipe_fd[2];
  pid_t pid;
  char r_buf[4];
  char* w_buf;
  int writenum;
  int cmd;
       
  memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
  if(pipe(pipe_fd)<0)
  {
    printf("pipe create error\n");
    return -1;
  }
       
  if((pid=fork())==0)
  {
    close(pipe_fd[0]);
    close(pipe_fd[1]);
    sleep(10);    
    exit();
  }
  else if(pid>0)
  {
    sleep(1);  //等待子進程完成關閉讀端的操作
    close(pipe_fd[0]);//write
    w_buf="111";
    if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4))==-1)
      printf("write to pipe error\n");
    else   
      printf("the bytes write to pipe is %d \n", writenum);
       
    close(pipe_fd[1]);
  }      
}

則輸出結果為： Broken pipe,原因就是該管道以及它的所有fork()產物的讀端都已經被關閉。如果在父進程中保留讀端，即在寫完pipe後，再關閉父進程的讀端，也會正常寫入pipe，讀者可自己驗證一下該結論。因此，在向管道寫入資料時，至少應該存在某一個進程，其中管道讀端沒有被關閉，否則就會出現上述錯誤（管道斷裂,進程收到了SIGPIPE信號，預設動作是進程終止）

對管道的寫規則的驗證2：linux不保證寫管道的原子性驗證

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <errno.h>

main(int argc,char**argv)

{

int pipe_fd[2];

pid_t pid;

char r_buf[4096];

char w_buf[4096*2];

int writenum;

int rnum;

memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));

if(pipe(pipe_fd)<0)

{

printf("pipe create error\n");

return -1;

}

if((pid=fork())==0)

{

close(pipe_fd[1]);

while(1)

{

sleep(1);

rnum=read(pipe_fd[0],r_buf,1000);

printf("child: readnum is %d\n",rnum);

}

close(pipe_fd[0]);

exit();

}

else if(pid>0)

{

close(pipe_fd[0]);//write

memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));

if((writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,1024))==-1)

printf("write to pipe error\n");

else

printf("the bytes write to pipe is %d \n", writenum);

writenum=write(pipe_fd[1],w_buf,4096);

close(pipe_fd[1]);

}

輸出結果：

the bytes write to pipe 1000

the bytes write to pipe 1000 //注意，此行輸出說明了寫入的非原子性

the bytes write to pipe 1000

the bytes write to pipe 120 //注意，此行輸出說明了寫入的非原子性

the bytes write to pipe 0

......

結論：

寫入數目小於4096時寫入是非原子的！
如果把父進程中的兩次寫入位元組數都改為5000，則很容易得出下面結論：
寫入管道的資料量大於4096位元組時，緩衝區的空閒空間將被寫入資料（補齊），直到寫完所有資料為止，如果沒有進程讀數據，則一直阻塞。

1.4管道應用實例：

實例一：用於shell

管道可用於輸入輸出重定向，它將一個命令的輸出直接定向到另一個命令的輸入。比如，當在某個shell程式（Bourne shell或C shell等）鍵入who│wc -l後，相應shell程式將創建who以及wc兩個進程和這兩個進程間的管道。考慮下面的命令列：

$kill -l 運行結果見附一。

$kill -l | grep SIGRTMIN 運行結果如下：

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

實例二：用於具有親緣關係的進程間通信

下面例子給出了管道的具體應用，父進程通過管道發送一些命令給子進程，子進程解析命令，並根據命令作相應處理。

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

main()

{

int pipe_fd[2];

pid_t pid;

char r_buf[4];

char** w_buf[256];

int childexit=0;

int i;

int cmd;

memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));

if(pipe(pipe_fd)<0)

{

printf("pipe create error\n");

return -1;

}

if((pid=fork())==0)

//子進程：解析從管道中獲取的命令，並作相應的處理

{

printf("\n");

close(pipe_fd[1]);

sleep(2);

while(!childexit)

{

read(pipe_fd[0],r_buf,4);

cmd=atoi(r_buf);

if(cmd==0)

{

printf("child: receive command from parent over\n now child process exit\n");

childexit=1;

}

else if(handle_cmd(cmd)!=0)

return;

sleep(1);

}

close(pipe_fd[0]);

exit();

}

else if(pid>0)

//parent: send commands to child

{

close(pipe_fd[0]);

w_buf[0]="003";

w_buf[1]="005";

w_buf[2]="777";

w_buf[3]="000";

for(i=0;i<4;i++)

write(pipe_fd[1],w_buf[i],4);

close(pipe_fd[1]);

}

//下面是子進程的命令處理函數（特定于應用）：

int handle_cmd(int cmd)

{

if((cmd<0)||(cmd>256))

//suppose child only support 256 commands

{

printf("child: invalid command \n");

return -1;

}

printf("child: the cmd from parent is %d\n", cmd);

return 0;

}

1.5管道的局限性

管道的主要局限性正體現在它的特點上：

只支援單向資料流程；
只能用於具有親緣關係的進程之間；
沒有名字；
管道的緩衝區是有限的（管道制存在於記憶體中，在管道創建時，為緩衝區分配一個頁面大小）；
管道所傳送的是無格式位元組流，這就要求管道的讀出方和寫入方必須事先約定好資料的格式，比如多少位元組算作一個消息（或命令、或記錄）等等；

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2、有名管道概述及相關API應用

2.1 有名管道相關的關鍵概念

管道應用的一個重大限制是它沒有名字，因此，只能用於具有親緣關係的進程間通信，在有名管道（named pipe或FIFO）提出後，該限制得到了克服。FIFO不同于管道之處在於它提供一個路徑名與之關聯，以FIFO的檔形式存在於檔案系統中。這樣，即使與FIFO的創建進程不存在親緣關係的進程，只要可以訪問該路徑，就能夠彼此通過FIFO相互通信（能夠訪問該路徑的進程以及FIFO的創建進程之間），因此，通過FIFO不相關的進程也能交換資料。值得注意的是，FIFO嚴格遵循先進先出（first in first out），對管道及FIFO的讀總是從開始處返回資料，對它們的寫則把資料添加到末尾。它們不支援諸如lseek()等檔定位操作。

2.2有名管道的創建

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode)

該函數的第一個參數是一個普通的路徑名，也就是創建後FIFO的名字。第二個參數與打開普通檔的open()函數中的mode 參數相同。如果mkfifo的第一個參數是一個已經存在的路徑名時，會返回EEXIST錯誤，所以一般典型的調用代碼首先會檢查是否返回該錯誤，如果確實返回該錯誤，那麼只要調用打開FIFO的函數就可以了。一般檔的I/O函數都可以用於FIFO，如close、read、write等等。

2.3有名管道的打開規則

有名管道比管道多了一個打開操作：open。

FIFO的打開規則：

如果當前打開操作是為讀而打開FIFO時，若已經有相應進程為寫而打開該FIFO，則當前打開操作將成功返回；否則，可能阻塞直到有相應進程為寫而打開該FIFO（當前打開操作設置了阻塞標誌）；或者，成功返回（當前打開操作沒有設置阻塞標誌）。

如果當前打開操作是為寫而打開FIFO時，如果已經有相應進程為讀而打開該FIFO，則當前打開操作將成功返回；否則，可能阻塞直到有相應進程為讀而打開該FIFO（當前打開操作設置了阻塞標誌）；或者，返回ENXIO錯誤（當前打開操作沒有設置阻塞標誌）。

對打開規則的驗證參見附2。

2.4有名管道的讀寫規則

從FIFO中讀取數據：

約定：如果一個進程為了從FIFO中讀取資料而阻塞打開FIFO，那麼稱該進程內的讀操作為設置了阻塞標誌的讀操作。

如果有進程寫打開FIFO，且當前FIFO內沒有資料，則對於設置了阻塞標誌的讀操作來說，將一直阻塞。對於沒有設置阻塞標誌讀操作來說則返回-1，當前errno值為EAGAIN，提醒以後再試。
對於設置了阻塞標誌的讀操作說，造成阻塞的原因有兩種：當前FIFO內有資料，但有其它進程在讀這些資料；另外就是FIFO內沒有資料。解阻塞的原因則是FIFO中有新的資料寫入，不論信寫入資料量的大小，也不論讀操作請求多少資料量。
讀打開的阻塞標誌只對本進程第一個讀操作施加作用，如果本進程內有多個讀操作序列，則在第一個讀操作被喚醒並完成讀操作後，其它將要執行的讀操作將不再阻塞，即使在執行讀操作時，FIFO中沒有資料也一樣（此時，讀操作返回0）。
如果沒有進程寫打開FIFO，則設置了阻塞標誌的讀操作會阻塞。

注：如果FIFO中有資料，則設置了阻塞標誌的讀操作不會因為FIFO中的位元組數小於請求讀的位元組數而阻塞，此時，讀操作會返回FIFO中現有的資料量。

向FIFO中寫入資料：

約定：如果一個進程為了向FIFO中寫入資料而阻塞打開FIFO，那麼稱該進程內的寫操作為設置了阻塞標誌的寫操作。

對於設置了阻塞標誌的寫操作：

當要寫入的資料量不大於PIPE_BUF時，linux將保證寫入的原子性。如果此時管道空閒緩衝區不足以容納要寫入的位元組數，則進入睡眠，直到當緩衝區中能夠容納要寫入的位元組數時，才開始進行一次性寫操作。
當要寫入的資料量大於PIPE_BUF時，linux將不再保證寫入的原子性。FIFO緩衝區一有空閒區域，寫進程就會試圖向管道寫入資料，寫操作在寫完所有請求寫的資料後返回。

對於沒有設置阻塞標誌的寫操作：

當要寫入的資料量大於PIPE_BUF時，linux將不再保證寫入的原子性。在寫滿所有FIFO空閒緩衝區後，寫操作返回。
當要寫入的資料量不大於PIPE_BUF時，linux將保證寫入的原子性。如果當前FIFO空閒緩衝區能夠容納請求寫入的位元組數，寫完後成功返回；如果當前FIFO空閒緩衝區不能夠容納請求寫入的位元組數，則返回EAGAIN錯誤，提醒以後再寫；

對FIFO讀寫規則的驗證：

下面提供了兩個對FIFO的讀寫程式，適當調節程式中的很少地方或者程式的命令列參數就可以對各種FIFO讀寫規則進行驗證。

程式1：寫FIFO的程式

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <errno.h>

#include <fcntl.h>

#define FIFO_SERVER "/tmp/fifoserver"

main(int argc,char** argv)

//參數為即將寫入的位元組數

{

int fd;

char w_buf[4096*2];

int real_wnum;

memset(w_buf,0,4096*2);

if((mkfifo(FIFO_SERVER,O_CREAT|O_EXCL)<0)&&(errno!=EEXIST))

printf("cannot create fifoserver\n");

if(fd==-1)

if(errno==ENXIO)

printf("open error; no reading process\n");

fd=open(FIFO_SERVER,O_WRONLY|O_NONBLOCK,0);

//設置非阻塞標誌

//fd=open(FIFO_SERVER,O_WRONLY,0);

//設置阻塞標誌

real_wnum=write(fd,w_buf,2048);

if(real_wnum==-1)

{

if(errno==EAGAIN)

printf("write to fifo error; try later\n");

}

else

printf("real write num is %d\n",real_wnum);

real_wnum=write(fd,w_buf,5000);

//5000用於測試寫入位元組大於4096時的非原子性

//real_wnum=write(fd,w_buf,4096);

//4096用於測試寫入位元組不大於4096時的原子性

if(real_wnum==-1)

if(errno==EAGAIN)

printf("try later\n");

}

程式2：與程式1一起測試寫FIFO的規則，第一個命令列參數是請求從FIFO讀出的位元組數

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <errno.h>

#include <fcntl.h>

#define FIFO_SERVER "/tmp/fifoserver"

main(int argc,char** argv)

{

char r_buf[4096*2];

int fd;

int r_size;

int ret_size;

r_size=atoi(argv[1]);

printf("requred real read bytes %d\n",r_size);

memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));

fd=open(FIFO_SERVER,O_RDONLY|O_NONBLOCK,0);

//fd=open(FIFO_SERVER,O_RDONLY,0);

//在此處可以把讀程式編譯成兩個不同版本：阻塞版本及非阻塞版本

if(fd==-1)

{

printf("open %s for read error\n");

exit();

}

while(1)

{

memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));

ret_size=read(fd,r_buf,r_size);

if(ret_size==-1)

if(errno==EAGAIN)

printf("no data avlaible\n");

printf("real read bytes %d\n",ret_size);

sleep(1);

}

pause();

unlink(FIFO_SERVER);

}

程式應用說明：

把讀程式編譯成兩個不同版本：

阻塞讀版本:br
以及非阻塞讀版本nbr

把寫程式編譯成兩個四個版本：

非阻塞且請求寫的位元組數大於PIPE_BUF版本：nbwg
非阻塞且請求寫的位元組數不大於PIPE_BUF版本：版本nbw
阻塞且請求寫的位元組數大於PIPE_BUF版本：bwg
阻塞且請求寫的位元組數不大於PIPE_BUF版本：版本bw

下面將使用br、nbr、w代替相應程式中的阻塞讀、非阻塞讀

驗證阻塞寫操作：

當請求寫入的資料量大於PIPE_BUF時的非原子性：

nbr 1000
bwg

當請求寫入的資料量不大於PIPE_BUF時的原子性：

nbr 1000
bw

驗證非阻塞寫操作：

當請求寫入的資料量大於PIPE_BUF時的非原子性：

nbr 1000
nbwg

請求寫入的資料量不大於PIPE_BUF時的原子性：

nbr 1000
nbw

不管寫打開的阻塞標誌是否設置，在請求寫入的位元組數大於4096時，都不保證寫入的原子性。但二者有本質區別：

對於阻塞寫來說，寫操作在寫滿FIFO的空閒區域後，會一直等待，直到寫完所有資料為止，請求寫入的資料最終都會寫入FIFO；

而非阻塞寫則在寫滿FIFO的空閒區域後，就返回(實際寫入的位元組數)，所以有些資料最終不能夠寫入。

對於讀操作的驗證則比較簡單，不再討論。

2.5有名管道應用實例

在驗證了相應的讀寫規則後，應用實例似乎就沒有必要了。

回頁首

小結：

管道常用於兩個方面：（1）在shell中時常會用到管道（作為輸入輸入的重定向），在這種應用方式下，管道的創建對於用戶來說是透明的；（2）用於具有親緣關係的進程間通信，使用者自己創建管道，並完成讀寫操作。

FIFO可以說是管道的推廣，克服了管道無名字的限制，使得無親緣關係的進程同樣可以採用先進先出的通信機制進行通信。

管道和FIFO的資料是位元組流，應用程式之間必須事先確定特定的傳輸"協議"，採用傳播具有特定意義的消息。

要靈活應用管道及FIFO，理解它們的讀寫規則是關鍵。

附1：kill -l 的運行結果，顯示了當前系統支援的所有信號：

1) SIGHUP 2) SIGINT 3) SIGQUIT 4) SIGILL

5) SIGTRAP 6) SIGABRT 7) SIGBUS 8) SIGFPE

9) SIGKILL 10) SIGUSR1 11) SIGSEGV 12) SIGUSR2

13) SIGPIPE 14) SIGALRM 15) SIGTERM 17) SIGCHLD

18) SIGCONT 19) SIGSTOP 20) SIGTSTP 21) SIGTTIN

22) SIGTTOU 23) SIGURG 24) SIGXCPU 25) SIGXFSZ

26) SIGVTALRM 27) SIGPROF 28) SIGWINCH 29) SIGIO

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

50) SIGRTMAX-13 51) SIGRTMAX-12 52) SIGRTMAX-11 53) SIGRTMAX-10

54) SIGRTMAX-9 55) SIGRTMAX-8 56) SIGRTMAX-7 57) SIGRTMAX-6

58) SIGRTMAX-5 59) SIGRTMAX-4 60) SIGRTMAX-3 61) SIGRTMAX-2

62) SIGRTMAX-1 63) SIGRTMAX

除了在此處用來說明管道應用外，接下來的專題還要對這些信號分類討論。

附2：對FIFO打開規則的驗證（主要驗證寫打開對讀打開的依賴性）

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <errno.h>

#include <fcntl.h>

#define FIFO_SERVER "/tmp/fifoserver"

int handle_client(char*);

main(int argc,char** argv)

{

int r_rd;

int w_fd;

pid_t pid;

if((mkfifo(FIFO_SERVER,O_CREAT|O_EXCL)<0)&&(errno!=EEXIST))

printf("cannot create fifoserver\n");

handle_client(FIFO_SERVER);

}

int handle_client(char* arg)

{

int ret;

ret=w_open(arg);

switch(ret)

{

case 0:

{

printf("open %s error\n",arg);

printf("no process has the fifo open for reading\n");

return -1;

}

case -1:

{

printf("something wrong with open the fifo except for ENXIO");

return -1;

}

case 1:

{

printf("open server ok\n");

return 1;

}

default:

{

printf("w_no_r return ----\n");

return 0;

}

unlink(FIFO_SERVER);

}

int w_open(char*arg)

//0 open error for no reading

//-1 open error for other reasons

//1 open ok

{

if(open(arg,O_WRONLY|O_NONBLOCK,0)==-1)

{ if(errno==ENXIO)

{

return 0;

}

else

return -1;

}

return 1;

}

參考資料

UNIX網路程式設計第二卷：進程間通信，作者：W.Richard Stevens，譯者：楊繼張，清華大學出版社。豐富的UNIX進程間通信實例及分析，對Linux環境下的程式開發有極大的啟發意義。
linux內核原始程式碼情景分析（上、下），毛德操、胡希明著，浙江大學出版社，當要驗證某個結論、想法時，最好的參考資料；
UNIX環境高級程式設計，作者：W.Richard Stevens，譯者：尤晉元等，機械工業出版社。具有豐富的程式設計實例，以及關鍵函數伴隨Unix的發展歷程。
http://www.linux.org.tw/CLDP/gb/Secure-Programs-HOWTO/x346.html 點明linux下sigaction的實現基礎，linux源碼../kernel/signal.c更說明了問題；
pipe手冊，最直接而可靠的參考資料
fifo手冊，最直接而可靠的參考資料

老陳獨白

2011年12月15日星期四

Linux環境進程間通信(一)

1、管道概述及相關API應用

1.1 管道相關的關鍵概念

1.2管道的創建：

1.3管道的讀寫規則：

1.4管道應用實例：

1.5管道的局限性

2、有名管道概述及相關API應用

2.1 有名管道相關的關鍵概念

2.2有名管道的創建

沒有留言:

2011年12月15日 星期四

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1.5管道的局限性

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