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Linux管道FIFO

分类: 文章 • 2024-02-09 11:56:04

管道FIFO

2.1 管道基本概念

​ 管道是针对于本地计算机的两个进程之间的通信而设计的通信方法，管道建立后，实际上是获得两个文件描述符：一个用与读取而另一个用于写入。任何从管道写入端写入的数据，可以从管道读取端读出。

​ 管道通信具有以下特点：

  • 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，要建立起两个管道。

    ​

  • 管道存放在内存中，是一种独立的文件系统。

2.2 无名管道的创建与读写

​ 系统调用pipe()用于创建一个管道，其函数原型如下：

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);

​ pipe()将建立一对文件描述符，放到参数pipefd中。pipefd[0]文件描述符用来从管道中读取数据，pipefd[1]用于写入数据到管道。

​

​ 单个进程中的管道几乎没有任何意义，通常，进程会先调用pipe，接着调用fork，从而创建从父进程到子进程的通道。

​ fork出子进程后，父进程的文件描述表也复制到子进程，于是如下图：

Linux管道FIFO

​ 关闭掉父进程的fd[0], 以及子进程的fd[1]，则父进程可以发送消息给子进程，反之亦然。

Linux管道FIFO

​ 源代码：pipe_test.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
​
void child_process(int pipefd[])
{
        int i = 0;
        char writebuf[128] = {0};
  
        /*子进程关闭读文件描述符*/
        close(pipefd[0]); 
        while(1)
        {
                sprintf(writebuf, "write pipe : %d", i);
          
                /*子进程往管道写入数据*/
                write(pipefd[1], writebuf, strlen(writebuf));
                printf("write pipe: %s\n", writebuf);
                i = (i + 1) % 10;
                sleep(1);
        }
}
​
void father_process(int pipefd[])
{
        char readbuf[128] = {0};
  
         /*父进程关闭写文件描述符*/
        close(pipefd[1]);
        while(1)
        {
                /*父进程从管道中读取数据*/
                read(pipefd[0], readbuf, sizeof(readbuf));
                printf("read pipe: %s\n", readbuf);
        }
}
​
int main(int argc, char** argv)
{
        int pipefd[2];
        pid_t pid;
​
        if( pipe(pipefd) == -1)
        {
                perror("pipe:");
                return -1;
        }
​
        pid = fork();
        if(pid == 0)
        {
                child_process(pipefd);
        }
        else if(pid != -1)
        {
                father_process(pipefd);
        }
        else
        {
                perror("fork:");
        }
        return 0;
}

​ 运行结果：子进程写数据，父进程读出数据并且打印。

[email protected]:~$ ./pipe_test 
write pipe: write pipe : 0
read pipe: write pipe : 0
write pipe: write pipe : 1
read pipe: write pipe : 1
write pipe: write pipe : 2
read pipe: write pipe : 2
write pipe: write pipe : 3

​ 注意：匿名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）。

​ 如果管道读端被关闭，那么这个时候如果继续write()管道，会发出信号SIGPIPE。如果管道写端被关闭，

那么这个时候如果继续read()管道直接返回0。

2.3 命名管道FIFO

​ FIFO是first in first out（先进先出）的缩写，FIFO也称为“命名管道”。FIFO是一种特殊类型的管道，它在文件系统中有一个相应的文件，称为管道文件。

​ FIFO文件可以通过mkfifo()函数创建。在FIFO文件创建之后，任何一个具有适当权限的进程都可以打开FIFO文件。

  • mkfifo()函数原型为：

#include <unistd.h>
int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode);

参数：

​ pathname一个FIFO文件的路径名。

​ mode与普通文件creat()函数中的mode参数相同。

返回值：

​ 如果要创建的文件已经存在，返回-1， errno为EEXIST错误, 成功返回0。

​ 一般文件的I/O函数都可以用于FIFO，如open()、read()、write()、close()等等。

  • 源代码fifo_write_test.c

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
void handle_sig(int sig)
{
    printf("signal pipe\n");
    exit(-1);
}
​
int main(int argc, char** argv)
{
    int fd;
    int ret;
    char buf[128];
    int i =  0;
​
    /*处理管道信号*/
    signal(SIGPIPE, handle_sig);
    if(mkfifo("./fifo", 0640) == -1)
    {
        if(errno !=  EEXIST)
        {
            perror("mkfifo");
            return -1;
        }
    }
    /*只写方式打开管道*/
    fd = open("./fifo", O_WRONLY);  
    if(fd == -1)
    {
        perror("open");
        return -1;
    }
​
    while(1)    
    {
        sprintf(buf, "data %d", i++);
        /*往管道写数据*/
        ret = write(fd, buf, strlen(buf));
​
        printf("write fifo [%d] %s\n", ret, buf);
      
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

​ 源码中，通过mkfifo来创建FIFO文件，并且以只写 的方式打开，只有当两边的管道都打开的时候才能写进去，否则阻塞在write()函数上，如果管道另一端打开后被关闭，那么这个时候如果继续write()FIFO管道，会发出信号SIGPIPE.

  • 源代码fifo_read_test.c

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
​
int main(int argc, char** argv)
{
    int fd;
    int ret;
    char buf[128];
    if(mkfifo("./fifo", 0640) == -1)
    {
        if(errno !=  EEXIST) /*如果错误类型是fifo文件已经存在，则继续执行*/
        {
            perror("mkfifo");
            return -1;
        }
    }
​
    /*以只读方式打开管道*/
    fd = open("./fifo", O_RDONLY);  
    if(fd == -1)
    {
        perror("open");
        return -1;
    }
​
    while(1)    
    {
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        /*读管道*/
        ret = read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
    
        printf("read fifo [%d] : %s\n", ret, buf);
        
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

​ 源代码中，通过mkfifo()函数创建FIFO管道，如果已经存在那么就直接只读方式打开，如果另一端没有被打开，则阻塞在read()函数上，如果另一端打开后关闭，则read()一直读到EOF也就是0个字节。

2.4 管道容量

​ 管道有它的容量大小，通过man 7 pipe来查看。默认情况下为64k字节，也可以通过fcntl函数来查看：

#define _GNU_SOURCE //在任何头文件包含之前添加这个宏定义
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
/*
cmd:F_GETPIPE_SZ 获取管道容量大小，设置管道容量大小F_SETPIPE_SZ
*/

​ 例如：

#define _GNU_SOURCE
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int main()
{
    if(mkfifo("./fifo", 0640) == -1)
    {
        if(errno !=  EEXIST)
        {
            perror("mkfifo");
            return -1;
        }
    }
    /*只写方式打开管道*/
    int fd = open("./fifo", O_WRONLY | O_NONBLOCK);  
    if(fd == -1)
    {
        perror("open");
        return -1;
    }
​
    printf("pipe size %d\n", fcntl(fd, F_GETPIPE_SZ));
    fcntl(fd, F_SETPIPE_SZ, 4096 * 3); /*必须填写4096的整数倍*/
    printf("pipe size %d\n", fcntl(fd, F_GETPIPE_SZ));
    return 0;
}

2.5 注意事项

​ 使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）：​

1.如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端的引用计数等于0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。​

2.如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端的引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。​

3.如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端的引用计数等于0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。讲信号时会讲到怎样使SIGPIPE信号不终止进程。​

4.如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端的引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

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