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Linux環境進程間通信: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 進程間通信的幾種主要手段。其中管道和有名管道是最早的進程間通信機制之一,管道可用於具有親緣關系進程間的通信,有名管道克服了管道沒有名字的限制,因此,除具有管道所具有的功能外,它還允許無親緣關系進程間的通信。 認清管道和有名管道的讀寫規則是在程序中應用它們的關鍵,本文在詳細討論了管道和有名管道的通信機制的基礎上,用實例對其讀寫規則進行了程序驗證,這樣做有利於增強讀者對讀寫規則的感性認識,同時也提供了應用范例。
        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,數據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(具有親緣關系的進程);
        單獨構成一種獨立的文件系統:管道對於管道兩端的進程而言,就是一個文件,但它不是普通的文件,它不屬於某種文件系統,而是自立門戶,單獨構成一種文件系統,並且只存在與內存中。
        數據的讀出和寫入: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沖區的末尾,並且每次都是從緩沖區的頭部讀出數據。
        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系,這裡的親緣關系指的是具有共同的祖先,都可以采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數據,或者向管道讀端寫入數據都將導致錯誤發生。一般文件的I/O函數都可以用於管道,如close、read、write等等。
        從管道中讀取數據:
        如果管道的寫端不存在,則認為已經讀到了數據的末尾,讀函數返回的讀出字節數為0;
        當管道的寫端存在時,如果請求的字節數目大於PIPE_BUF,則返回管道中現有的數據字節數,如果請求的字節數目不大於PIPE_BUF,則返回管道中現有數據字節數(此時,管道中數據量小於請求的數據量);或者返回請求的字節數(此時,管道中數據量不小於請求的數據量)。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字節,red hat 7.2中為4096)。
        關於管道的讀規則驗證:
  /************** * readtest.c * **************/#include #include 
        向管道中寫入數據:
        向管道中寫入數據時,linux將不保證寫入的原子性,管道緩沖區一有空閒區域,寫進程就會試圖向管道寫入數據。如果讀進程不讀走管道緩沖區中的數據,那麼寫操作將一直阻塞。
        注:只有在管道的讀端存在時,向管道中寫入數據才有意義。否則,向管道中寫入數據的進程將收到內核傳來的SIFPIPE信號,應用程序可以處理該信號,也可以忽略(默認動作則是應用程序終止)。
        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
        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,在向管道寫入數據時,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,默認動作是進程終止)
        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 #include #include main(int argc
        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字節數都改為5000,則很容易得出下面結論:
        寫入管道的數據量大於4096字節時,緩沖區的空閒空間將被寫入數據(補齊),直到寫完所有數據為止,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程序(Bourne shell或C shell等)鍵入who│wc -l後,相應shell程序將創建who以及wc兩個進程和這兩個進程間的管道。考慮下面的命令行:
        $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+134) SIGRTMIN+2 35) SIGRTMIN
        實例二:用於具有親緣關系的進程間通信
        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 #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體現在它的特點上:
        只支持單向數據流;
        只能用於具有親緣關系的進程之間;
        沒有名字;
        管道的緩沖區是有限的(管道制存在於內存中,在管道創建時,為緩沖區分配一個頁面大小);
        管道所傳送的是無格式字節流,這就要求管道的讀出方和寫入方必須事先約定好數據的格式,比如多少字節算作一個消息(或命令、或記錄)等等;
        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系的進程間通信,在有名管道(named pipe或FIFO)提出後,該限制得到了克服。FIFO不同於管道之處在於它提供一個路徑名與之關聯,以FIFO的文件形式存在於文件系統中。這樣,即使與FIFO的創建進程不存在親緣關系的進程,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數據。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數據,對它們的寫則把數據添加到末尾。它們不支持諸如lseek()等文件定位操作。
        2.2有名管道的創建
        #include #include 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文件的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。一般文件的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志);或者,成功返回(當前打開操作沒有設置阻塞標志)。
        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志);或者,返回ENXIO錯誤(當前打開操作沒有設置阻塞標志)。
        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中讀取數據而阻塞打開FIFO,那麼稱該進程內的讀操作為設置了阻塞標志的讀操作。
        如果有進程寫打開FIFO,且當前FIFO內沒有數據,則對於設置了阻塞標志的讀操作來說,將一直阻塞。對於沒有設置阻塞標志讀操作來說則返回-1,當前errno值為EAGAIN,提醒以後再試。
        對於設置了阻塞標志的讀操作說,造成阻塞的原因有兩種:當前FIFO內有數據,但有其它進程在讀這些數據;另外就是FIFO內沒有數據。解阻塞的原因則是FIFO中有新的數據寫入,不論信寫入數據量的大小,也不論讀操作請求多少數據量。
        讀打開的阻塞標志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中沒有數據也一樣(此時,讀操作返回0)。
        如果沒有進程寫打開FIFO,則設置了阻塞標志的讀操作會阻塞。
        注:如果FIFO中有數據,則設置了阻塞標志的讀操作不會因為FIFO中的字節數小於請求讀的字節數而阻塞,此時,讀操作會返回FIFO中現有的數據量。
        向FIFO中寫入數據:
        約定:如果一個進程為了向FIFO中寫入數據而阻塞打開FIFO,那麼稱該進程內的寫操作為設置了阻塞標志的寫操作。
        對於設置了阻塞標志的寫操作:
        當要寫入的數據量不大於PIPE_BUF時,linux將保證寫入的原子性。如果此時管道空閒緩沖區不足以容納要寫入的字節數,則進入睡眠,直到當緩沖區中能夠容納要寫入的字節數時,才開始進行一次性寫操作。
        當要寫入的數據量大於PIPE_BUF時,linux將不再保證寫入的原子性。FIFO緩沖區一有空閒區域,寫進程就會試圖向管道寫入數據,寫操作在寫完所有請求寫的數據後返回。
        對於沒有設置阻塞標志的寫操作:
        當要寫入的數據量大於PIPE_BUF時,linux將不再保證寫入的原子性。在寫滿所有FIFO空閒緩沖區後,寫操作返回。
        當要寫入的數據量不大於PIPE_BUF時,linux將保證寫入的原子性。如果當前FIFO空閒緩沖區能夠容納請求寫入的字節數,寫完後成功返回;如果當前FIFO空閒緩沖區不能夠容納請求寫入的字節數,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的讀寫程序,適當調節程序中的很少地方或者程序的命令行參數就可以對各種FIFO讀寫規則進行驗證。
        程序1:寫FIFO的程序
  #include #include #include #include 
        程序應用說明:
        把讀程序編譯成兩個不同版本:
        阻塞讀版本:br
        以及非阻塞讀版本nbr
        把寫程序編譯成兩個四個版本:
        非阻塞且請求寫的字節數大於PIPE_BUF版本:nbwg
        非阻塞且請求寫的字節數不大於PIPE_BUF版本:版本nbw
        阻塞且請求寫的字節數大於PIPE_BUF版本:bwg
        阻塞且請求寫的字節數不大於PIPE_BUF版本:版本bw
        下面將使用br、nbr、w代替相應程序中的阻塞讀、非阻塞讀
        驗證阻塞寫操作:
        當請求寫入的數據量大於PIPE_BUF時的非原子性:
        nbr 1000
        bwg
        當請求寫入的數據量不大於PIPE_BUF時的原子性:
        nbr 1000
        bw
        驗證非阻塞寫操作:
        當請求寫入的數據量大於PIPE_BUF時的非原子性:
        nbr 1000
        nbwg
        請求寫入的數據量不大於PIPE_BUF時的原子性:
        nbr 1000
        nbw
        不管寫打開的阻塞標志是否設置,在請求寫入的字節數大於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,直到寫完所有數據為止,請求寫入的數據最終都會寫入FIFO;
        而非阻塞寫則在寫滿FIFO的空閒區域後,就返回(實際寫入的字節數),所以有些數據最終不能夠寫入。
        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。
        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)用於具有親緣關系的進程間通信,用戶自己創建管道,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,使得無親緣關系的進程同樣可以采用先進先出的通信機制進行通信。
        管道和FIFO的數據是字節流,應用程序之間必須事先確定特定的傳輸"協議",采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,顯示了當前系統支持的所有信號:
  1) SIGHUP    2) SIGINT    3) SIGQUIT    4) SIGILL5) SIGTRAP    6) SIGABRT    
        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) 
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