Linux环境进程间通信:管道及有名管道


管道及有名管道
        在本系列序中作者概述了 linux 进程间通信的几种主要手段。其中管道和有名管道是最早的进程间通信机制之一,管道可用于具有亲缘关系进程间的通信,有名管道克服了管道没有名字的限制,因此,除具有管道所具有的功能外,它还允许无亲缘关系进程间的通信。 认清管道和有名管道的读写规则是在程序中应用它们的关键,本文在详细讨论了管道和有名管道的通信机制的基础上,用实例对其读写规则进行了程序验证,这样做有利于增强读者对读写规则的感性认识,同时也提供了应用范例。
        1、 管道概述及相关API应用
        1.1 管道相关的关键概念
        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。
        1.2管道的创建:
        #include int pipe(int fd[2])
        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)。
        1.3管道的读写规则:
        管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述,需要注意的是,管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读,由描述字fd[0]表示,称其为管道读端;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。
        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。Posix.1要求PIPE_BUF至少为512字节,red hat 7.2中为4096)。
        关于管道的读规则验证:
  /************** * readtest.c * **************/#include #include 
        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)。
        对管道的写规则的验证1:写端对读端存在的依赖性
  #include #include main(){ int pipe_fd[2]; pid_t
        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。如果在父进程中保留读端,即在写完pipe后,再关闭父进程的读端,也会正常写入pipe,读者可自己验证一下该结论。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)
        对管道的写规则的验证2:linux不保证写管道的原子性验证
  #include #include #include main(int argc
        结论:
        写入数目小于4096时写入是非原子的!
        如果把父进程中的两次写入字节数都改为5000,则很容易得出下面结论:
        写入管道的数据量大于4096字节时,缓冲区的空闲空间将被写入数据(补齐),直到写完所有数据为止,如果没有进程读数据,则一直阻塞。
1.4管道应用实例:
        实例一: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。比如,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 运行结果见附一。
        $kill -l | grep SIGRTMIN 运行结果如下:
  30) SIGPWR 31) SIGSYS 32) SIGRTMIN 33) SIGRTMIN+134) SIGRTMIN+2 35) SIGRTMIN
        实例二:用于具有亲缘关系的进程间通信
        下面例子给出了管道的具体应用,父进程通过管道发送一些命令给子进程,子进程解析命令,并根据命令作相应处理。
  #include #include main(){ int pipe_fd[2]; pid_t
        1.5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;
        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;
        2、 有名管道概述及相关API应用
        2.1 有名管道相关的关键概念
        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。
        2.2有名管道的创建
        #include #include int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode)
        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。
        2.3有名管道的打开规则
        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)。
        对打开规则的验证参见附2。
        2.4有名管道的读写规则
        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;
对FIFO读写规则的验证:
        下面提供了两个对FIFO的读写程序,适当调节程序中的很少地方或者程序的命令行参数就可以对各种FIFO读写规则进行验证。
        程序1:写FIFO的程序
  #include #include #include #include 
        程序应用说明:
        把读程序编译成两个不同版本:
        阻塞读版本:br
        以及非阻塞读版本nbr
        把写程序编译成两个四个版本:
        非阻塞且请求写的字节数大于PIPE_BUF版本:nbwg
        非阻塞且请求写的字节数不大于PIPE_BUF版本:版本nbw
        阻塞且请求写的字节数大于PIPE_BUF版本:bwg
        阻塞且请求写的字节数不大于PIPE_BUF版本:版本bw
        下面将使用br、nbr、w代替相应程序中的阻塞读、非阻塞读
        验证阻塞写操作:
        当请求写入的数据量大于PIPE_BUF时的非原子性:
        nbr 1000
        bwg
        当请求写入的数据量不大于PIPE_BUF时的原子性:
        nbr 1000
        bw
        验证非阻塞写操作:
        当请求写入的数据量大于PIPE_BUF时的非原子性:
        nbr 1000
        nbwg
        请求写入的数据量不大于PIPE_BUF时的原子性:
        nbr 1000
        nbw
        不管写打开的阻塞标志是否设置,在请求写入的字节数大于4096时,都不保证写入的原子性。但二者有本质区别:
        对于阻塞写来说,写操作在写满FIFO的空闲区域后,会一直等待,直到写完所有数据为止,请求写入的数据最终都会写入FIFO;
        而非阻塞写则在写满FIFO的空闲区域后,就返回(实际写入的字节数),所以有些数据最终不能够写入。
        对于读操作的验证则比较简单,不再讨论。
        2.5有名管道应用实例
        在验证了相应的读写规则后,应用实例似乎就没有必要了。
        小结:
        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。
        附1:kill -l 的运行结果,显示了当前系统支持的所有信号:
  1) SIGHUP    2) SIGINT    3) SIGQUIT    4) SIGILL5) SIGTRAP    6) SIGABRT    
        除了在此处用来说明管道应用外,接下来的专题还要对这些信号分类讨论。
        附2:对FIFO打开规则的验证(主要验证写打开对读打开的依赖性) 



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