Linux进程通信之管道和FIFO
来源:互联网 发布:淘宝代发论文 见刊给钱 编辑:程序博客网 时间:2024/06/08 02:03
Linux进程间的通信可以简称为IPC(Interprocess Communication),前面说过的 Linux的同步工具也是属于IPC的一部分,这里我想说的是通常意义的进程间的实际数据通。
1管道
管道是最早的UNIX IPC,所有的UNIX系统都支持这个IPC通信机制。我们最常见到使用它的位置就是shell中使用的管道命令。管道IPC有两个特性:
- 管道仅提供半双工的数据通信,即只支持单向的数据流。
- 管道只能在有亲缘关系的进程间使用。这是由于管道没有名字的原因,所以不能跨进程的地址空间进行使用。这里这句话不是绝对的,因为从技术上可以在进程间传递管道的描述符,所以是可以通过管道实现无亲缘进程间的通信的。但尽管如此,管道还是通常用于具有共同祖先的进程间的通信。
管道的接口定义如下:
#include <unistd.h>int pipe(int filedes[2]); //成功返回0,失败返回-1
pipe函数用来创建一个管道,fd是传出参数,用于保存返回的两个文件描述符,该文件描述符用于标识管道的两端,fd[0]只能由于读,fd[1]只能用于写。
那么如果我们往fd[0]端写数据会是什么样的结果呢?下面是测试代码:
#include <iostream>#include <cstring>#include <unistd.h>#include <errno.h>using namespace std;int main(){ int fd[2]; if (pipe(fd) < 0) { cout<<"create pipe failed..."<<endl; return -1; } char *temp = "yuki"; if (write(fd[0], temp, strlen(temp) + 1) < 0) { cout<<"write pipe failed:"<<strerror(errno)<<endl; } return 0;}代码的执行结果如下:
write pipe failed:Bad file descriptor
从这个结果可以看出,内核对于管道的fd[0]描述符打开的方式是以只读方式打开的,那么同理fd[1]是以只写方式打开的,所以管道只能保证单向的数据通信。
下图1显示的是一个进程内的管道的模样:
图1单个进程内管道的模样
从上图我们可以看到位于内核中的管道,进程通过两个文件描述符进行数据的传输,当然单个进程内的管道是没有必要的,上面只是为了更形象的表明管道的工作方式,一般管道的使用方式都是:父进程创建一个管道,然后fork产生一个子进程,由于子进程继承父进程打开的文件描述符,所以父子进程可以通过管道进程通信。这种使用方式如下图2所示:
图2父子进程间的管道
如上图所示,当父进程通过fork创建子进程后,父子进程都拥有对管道操作的文件描述符,此时父子进程关闭对应的读写端,使父子进程间形成单向的管道。关闭哪个端要根据具体的数据流向决定。
1.1父子进程间的单向通信
上面说了父进程通过fork创建子进程后,父子进程间可以通过管道通信,数据流的方向根据具体的应用决定。我们都知道在shell中,管道的数据流向都是从父进程流向子进程,即父进程关闭读端,子进程关闭写端。如下图3所示:
图3 父子进程间的单向管道
上图的测试代码如下:
#include <iostream>#include <unistd.h>using namespace std;int main(){ int fd[2]; if (pipe(fd) < 0) { cout<<"create pipe failed..."<<endl; return -1; } char buf[256]; if (fork() == 0) { close(fd[1]); read(fd[0], buf, sizeof(buf)); cout<<"receive message from pipe:"<<buf<<endl; exit(0); } close(fd[0]); char *temp = "I have liked yuki..."; write(fd[1], temp, strlen(temp) + 1); return 0;}
代码的执行结果如下:
receive message from pipe:I have liked yuki...
其中代码流程是,子进程等待父进程通过管道发送过来的数据,然后输出接收到的数据,代码中的read会阻塞到管道中有数据为止,具体管道的read和write的规则将会在后面介绍。
1.2父子进程间的双向通信
由上我们知道,一个管道只能支持亲缘进程间的单向通信即半双工通信。如果要想通过管道来支持双向通信呢,那这里就需要创建两个管道,fd1,fd2;父进程中关闭fd1[0],fd2[1],子进程中关闭fd1[1],fd2[0]。这种通信模式如下图所示:
图 4 父子进程间的双向通信
下面是双向通信的测试代码:
#include <iostream>#include <unistd.h>using namespace std;int main(){ int fd1[2], fd2[2]; if (pipe(fd1) < 0 || pipe(fd2) < 0) { cout<<"create pipe failed..."<<endl; return -1; } char buf[256]; char *temp = "I have liked yuki..."; if (fork() == 0) { close(fd1[1]); close(fd2[0]); read(fd1[0], buf, sizeof(buf)); cout<<"child:receive message from pipe 1:"<<buf<<endl; write(fd2[1], temp, strlen(temp) + 1); exit(0); } close(fd1[0]); close(fd2[1]); write(fd1[1], temp, strlen(temp) + 1); read(fd2[0], buf, sizeof(buf)); cout<<"parent:receive message from pipe 2:"<<buf<<endl; return 0;}
代码的执行结果如下:
child:receive message from pipe 1:I have liked yuki...parent:receive message from pipe 2:I have liked yuki...
其中代码的流程是父进程创建了两个管道,我们可以用fd1,fd2表示,管道fd1负责父进程向子进程发送数据,fd2负责子进程想父进程发送数据。进程启动后,子进程等待父进程通过管道fd1发送数据,当子进程收到父进程的数据后,输出消息,并通过管道fd2回复父进程,然后子进程退出,父进程收到子进程的响应后,输出消息并退出。
前面已经说了对管道的read会阻塞到管道中有数据为止,具体管道的read和write的规则将会在后面介绍。
1.3 popen和pclose函数
作为关于管道的一个实例,就是标准I/O函数库提供的popen函数,该函数创建一个管道,并fork一个子进程,该子进程根据popen传入的参数,关闭管道的对应端,然后执行传入的shell命令,然后等待终止。
调用进程和fork的子进程之间形成一个管道。调用进程和执行shell命令的子进程之间的管道通信是通过popen返回的FILE*来间接的实现的,调用进程通过标准文件I/O来写入或读取管道。
下面是这两个函数的声明。
#include <stdio.h>FILE *popen(const char *command, const char *type); //成功返回标准文件I/O指针,失败返回NULLint pclose(FILE *stream); //成功返回shell的终止状态,失败返回-1
command:该传入参数是一个shell命令行,这个命令是通过shell处理的。
type:该参数决定调用进程对要执行的command的处理,type有如下两种情况:
- type = “r”,调用进程将读取command执行后的标准输出,该标准输出通过返回的FILE*来操作;
- type = “w”,调用进程将写command执行过程中的标准输入;
pclose函数会关闭由popen创建的标准I/O流,等待其中的命令终止,然后返回shell的执行状态。
下面是关于popen的测试代码:
#include <iostream>#include <cstdio>#include <unistd.h>using namespace std;int main(){ char *cmd = "ls /usr/local/bin "; FILE *p = popen(cmd, "r"); char buf[256]; while (fgets(buf, 256, p) != NULL) { cout<<buf; } pclose(p); return 0;}
程序的执行结果如下所示:
ccmakecmakecpackCSGMP_CG_ServerCSGMP_Start.shctest...
程序的执行流程如下:调用进程执行popen时,会创建一个管道,然后fork生成一个子进程,子进程执行popen传入的"ls /usr/local/bin" shell命令,子进程将执行结果通过管道传递给调用进程,调用进程通过标准文件I/O来读取管道中的数据,并输出显示。
2 FIFO
POSIX标准中的FIFO又名有名管道或命名管道。我们知道前面讲述的POSIX标准中管道是没有名称的,所以它的最大劣势是只能用于具有亲缘关系的进程间的通信。FIFO最大的特性就是每个FIFO都有一个路径名与之相关联,从而允许无亲缘关系的任意两个进程间通过FIFO进行通信。
所以,FIFO的两个特性:
- 和管道一样,FIFO仅提供半双工的数据通信,即只支持单向的数据流。
- 和管道不同的是,FIFO可以支持任意两个进程间的通信。
下面是FIFO的接口定义:
#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); //成功则返回0,失败返回-1
pathname:一个Linux路径名,它是FIFO的名字。即每个FIFO与一个路径名相对应。
mode:指定的文件权限位,类似于open函数的第三个参数。即创建该FIFO时,指定用户的访问权限,有以下值:S_IRUSR,S_IWUSR,S_IRGRP,S_IWGRP,S_IROTH,S_IWOTH。
mkfifo函数默认指定O_CREAT | O_EXECL方式创建FIFO,如果创建成功,直接返回0。如果FIFO已经存在,则创建失败,会返回-1并且errno置为EEXIST。对于其他错误,则置响应的errno值;
当创建一个FIFO后,它必须以只读方式打开或者只写方式打开,所以可以用open函数,当然也可以使用标准的文件I/O打开函数,例如fopen来打开。由于FIFO是半双工的,所以不能够同时打开来读和写。
其实一般的文件I/O函数,如read,write,close,unlink都可用于FIFO。对于管道和FIFO的write操作总是会向末尾添加数据,而对他们的read则总是会从开头数据,所以不能对管道和FIFO中间的数据进行操作,因此对管道和FIFO使用lseek函数,是错误的,会返回ESPIPE错误。
mkfifo的一般使用方式是:通过mkfifo创建FIFO,然后调用open,以读或者写的方式之一打开FIFO,然后进行数据通信。
下面是FIFO的一个简单的测试代码:
#include <iostream>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <errno.h>#include <sys/stat.h>#include <sys/types.h>using namespace std;#define FIFO_PATH "/home/anonym/fifo"int main(){ if (mkfifo(FIFO_PATH, 0666) < 0 && errno != EEXIST) { cout<<"create fifo failed..."<<endl; return -1; } if (fork() == 0) { int readfd = open(FIFO_PATH, O_RDONLY); cout<<"child open fifo success..."<<endl; char buf[256]; read(readfd, buf, sizeof(buf)); cout<<"receive message from pipe:"<<buf<<endl; close(readfd); exit(0); } sleep(3); int writefd = open(FIFO_PATH, O_WRONLY); cout<<"parent open fifo success..."<<endl; char *temp = "i love you"; write(writefd, temp, strlen(temp) + 1); close(writefd);}
程序的执行结果如下:
parent open fifo success...child open fifo success...receive message from pipe:i love you
由上面的运行结果可以看到,子进程以读方式open的操作会阻塞到父进程以写方式open;关于这一点以及read和write的操作会在后面管道和FIFO的属性部分进行介绍;
POSIX标准不仅规定了对mkfifo IPC的支持,还包括了对mkfifo shell命令的支持,所以符合POSIX标准的UNIX中都含有mkfifo命令来创建有名管道,例如下面是在Linux 2.6.18的测试:
[root@idcserver program]# mkfifo skywalker[root@idcserver program]# echo "I have liked yuki..." >skywalker &[1] 28839[root@idcserver program]# cat < skywalkerI have liked yuki...[1]+ Done echo "I have liked yuki..." > skywalker
这里在第二行最后加上‘&’使进程转到后台运行,是因为FIFO以只写方式打开需要阻塞到FIFO以只读方式打开为止,所以必须要作为后台程序运行,否则进程会阻塞在前端,无法再进行相关输入;
1.3管道和FIFO的属性
由于在POSIX标准中,管道和FIFO都是通过文件描述符来进行操作的,默认的情况下,对他们的操作都是阻塞的,当然也可以通过设置来使对他们的操作变成非阻塞的。我们都知道可以有两种方式来设置一个文件描述符为O_NONBLOCK非阻塞的:
- 调用open时,指定O_NONBLOCK标志。例如:
int fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY | O_NONBLOCK);
- 通过fcntl文件描述符控制操作函数,对一个已经打开的描述符启用O_NONBLOCK标志。其中对于管道必须使用这种方式。示例如下:
int flag;flag = fcntl(fd, F_GETFL, 0);flag |= O_NONBLOCK;fcntl(fd, F_SETFL, flag);
下图主要说明了对管道和FIFO的各种操作在阻塞和非阻塞状态下的不同,这张图对对于理解和使用管道和FIFO是非常重要的。
图 5管道和FIFO的各种操作
从上图我们看到关于管道和FIFO的读出和写入的若干规则,主要需要注意的有以下几点:
- 以只读方式open FIFO时,如果FIFO还没有以只写方式open,那么在阻塞模式下,该操作会阻塞到FIFO以只写方式open为止。
- 以只写方式open FIFO时,如果FIFO还没有以只读方式open,那么在阻塞模式下,该操作会阻塞到FIFO以只读方式open为止。
- 从空管道或空FIFO中read,如果管道和FIFO已打开来写,在阻塞模式下,那么该操作会阻塞到管道或FIFO有数据为止,或管道或FIFO不再以写方式打开。如果管道和FIFO没有打开来写,那么该操作会返回0;
- 向管道或FIFO中write,如果管道或FIFO没有打开来读,那么内核会产生SIGPIPE信号,默认情况下,该信号会终止该进程。
另外对于管道和FIFO还需要说明的若干规则如下:
- 如果请求write的数据的字节数小于等于PIPE_BUF(POSIX关于管道和FIFO大小的限制值),那么write操作可以保证是原子的,如果大于PIPE_BUF,那么就不能保证了。
那么由此可知write的原子性是由写入数据的字节数是否小于等于PIPE_BUF决定的,和是不是O_NONBLOCK没有关系。下面是在阻塞和非阻塞情况下,write不同大小的数据的操作结果:
在阻塞的情况下:
- 如果write的字节数小于等于PIPE_BUF,那么write会阻塞到写入所有数据,并且写入操作是原子的。
- 如果write的字节数大于PIPE_BUF,那么write会阻塞到写入所有数据,但写入操作不是原子的,即write会根据当前缓冲区剩余的大小,写入相应的字节数,然后等待下一次有空余的缓冲区,这中间可能会有其他进程进行write操作。
在非阻塞的情况下:
- 如果write的字节数小于等于PIPE_BUF,且管道或FIFO有足以存放要写入数据大小的空间,那么就写入所有数据;
- 如果write的字节数小于等于PIPE_BUF,且管道或FIFO没有足够存放要写入数据大小的空间,那么就会立即返回EAGAIN错误。
- 如果write的字节数大于PIPE_BUF,且管道或FIFO有至少1B的空间,那么就内核就会写入相应的字节数,然后返回已写入的字节数;
- 如果write的字节数大于PIPE_BUF,且管道或FIFO无任何的空间,那么就会立即返回EAGAIN错误。
1.4管道和FIFO的限制
系统内核对于管道和FIFO的唯一限制为:OPEN_MAX和PIPE_BUF;
OPEN_MAX:一个进程在任意时刻可以打开的最大描述符数。PIPE_BUF标识一个管道可以原子写入管道和FIFO的最大字节数,并不是管道或FIFO的容量。
关于这两个系统限制,POSIX标准中都有定义的不变最小值:_POSIX_OPEN_MAX和_POSIX_PIPE_BUF,这两个宏是POSXI标准定义的编译时确定的值,他们是标准定义的且不会改变的,POSIX标准关于这两个值的限制为:
cout<<_POSIX_OPEN_MAX<<endl;cout<<_POSIX_PIPE_BUF<<endl;//运行结果为:20512
我们都知道,关于POSIX的每个不变最小值都有一个具体的系统的实现值,这些是实现值由具体的系统决定,通过调用以下函数在运行时确定这个实现值:
#include <unistd.h>long sysconf(int name);long fpathconf(int filedes, int name);long pathconf(char *path, int name); //成功返回具体的值,失败返回-1
其中sysconf是用于返回系统限制值,这些值是以_SC_开头的常量,pathconf和fpathconf是用于返回与文件和目录相关的运行时的限制值,这些值都是以_PC_开头的常量;下面是在Linux 2.6.18下的测试代码:
cout<<sysconf(_SC_OPEN_MAX)<<endl;cout<<pathconf(FIFO_PATH, _PC_PATH_MAX)<<endl;//运行结果为:10244096
当然上面两个系统限制值的具体实现值也可以通过ulimit命令来查看,下面是在Linux 2.6.18下查看的结果:
[root@idcserver program]# ulimit -a...open files (-n) 1024pipe size (512 bytes, -p) 8...
这两个值在Linux 2.6.18下都是不允许修改的,也是没有必要修改的;
Jul 20, 2013 16:52 @library
机会永远都是留给有准备的人。。。
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