IPC——管道和 FIFO

阅读量：4147 次

发布时间：2019-05-25

本文共 3546 字，大约阅读时间需要 11 分钟。

匿名管道 pipe

管道由创建，提供一个单路（单向）数据流

int pipe(int pipefd[2]); // int pipe2(int pipefd[2], int flags); // O_NONBLOCK、O_ASYNC， 设置O_ASYNC标志会导致新输入变为时生成的信号（默认为SIGIO）    pipefd 为 pipe() 分配的两个文件描述符。    pipefd[0]：读文件描述符，内核对于管道的fd[0]描述符是以只读方式打开的。    pipefd[1]：写文件描述符，同理fd[1]是以只写方式打开的。

管道随进程：

在这里插入图片描述

单个进程内的管道，刚fork()之后：

父进程关闭读端，子进程关闭写端后：

应用：shell 命令

双向通道：

fd[1]和fd[0]都是可读写的，但是写入fd[1]的数据只能从fd[0]读取，反之亦然。数据流（数据通道）独立，不然很可能读取到自己写入的数据。

管道如何实现进程间的通信

父进程创建管道（在内核空间中创建了两个文件描述符，一个对应读，一个对应写，两个文件描述符对应的文件表项中指向的V节点存放的是管道对象的指针）

父进程fork出子进程，⼦进程也有两个⽂件描述符指向同⼀管道。

父进程关闭fd[0],子进程关闭fd[1]，即⽗进程关闭管道读端,⼦进程关闭管道写端（因为管道只支持单向通信）。⽗进程可以往管道⾥写,⼦进程可以从管道⾥读,管道是⽤环形队列实现的,数据从写端流⼊从读端流出,这样就实现了进程间通信。

管道特点

管道只允许单向通信。

管道内部保证同步机制，从而保证访问数据的一致性。

面向字节流

管道随进程，依赖于文件系统，它的生命周期随进程的结束结束，进程消失管道对应的端口也关闭，两个进程都消失管道也消失(一端关闭只影响一端的操作，另一端可以继续操作)。

管道通常用于具有共同祖先的进程间通信，如父子进程间的通信。

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()，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。

pclose()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。

char *cmd = "ls /usr/local/bin ";     FILE *p = popen(cmd, "r");    char buf[256];     while (fgets(buf, sizeof(buf), p) != NULL)    {        printf("%s\n", buf);    }       pclose(p);

FIFO（named pipe ）

创建命名管道（两种方法）：

Shell下用命令 mknod 或 mkfifo 创建命名管道：mknod namedpipe

系统函数创建：mknod、

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); open()

[root@idcserver program]# mkfifo skywalker[root@idcserver program]# echo "I have liked yuki..." >skywalker &[root@idcserver program]# cat < skywalkerI have liked yuki...[1]+  Done                    echo "I have liked yuki..." > skywalker

在这里插入图片描述

pipe

FIFO

FIFO 特点

FIFO是一个设备文件，在文件系统中以文件名的形式存在，因此即使进程与创建FIFO的进程不存在血缘关系也依然可以通信，前提是可以访问该路径。命名管道是设备文件，它是存储在硬盘上的，而管道是存在内存中的特殊文件。

FIFO(first input first output)总是遵循先进先出的原则，即第一个进来的数据会第一个被读走。

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。

与管道的区别：提供了一个路径名与之关联，以FIFO文件的形式存储于文件系统中，能够实现任何两个进程之间通信。而匿名管道对于文件系统是不可见的。

内核为每个 FIFO 维护一个管道对象，FIFO 必须在两端（读取和写入）都打开数据才能被通过。

命名管道调用open()打开有可能会阻塞，但是如果以读写方式（O_RDWR）打开则一定不会阻塞；以只读（O_RDONLY）方式打开时，调用open()的函数会被阻塞直到有数据可读（直到对方也打开）；如果以只写方式（O_WRONLY）打开时同样也会被阻塞，原理同上。一端关闭或退出，另一端也退出。

write 不阻塞，直到写满管道。read阻塞，直到有数据可读。

FIFO 特殊文件在文件系统上没有内容。文件系入口仅作为参考点，以便进程可以使用文件系统中的名称访问管道。

管道和 FIFO 之间的唯一区别是它们被创建和打开。一旦完成了这些任务完成后，管道和 FIFO 上的 I/O 完全相同语义。

通过启用O_NONBLOCK打开文件状态标志，可以实现非阻塞 I/O 。

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。

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。

Q&A

父子进程无名管道采用单工方式进行通信，只能一个写另外一个读。如果要实现双工，那么就创建两个无名管道来实现双工通信。

当无名管道相关联的所有文件描述符被关闭，那么无名管道对象会从内核中释放掉。

Q: 匿名管道可否用于不同进程？不同线程？如何用？A: 无名管道不单可以在父子进程中，也可用于不同的程序中。要实现A程序通过无名管道与B程序进行通信，那么可以在A程序中采用fork+exec模式启动B程序，同样可以把文件描述符复制到B程序中，这样就可以使用管道文件描述符进行通信了。

管道与FIFO的区别：在于无名管道没有具体的文件，而有名管道在文件系统中有对应的文件（但是FIFO依然是随进程的，进程消失，管道内的内容失效）。

管道读取数据的四种的情况（O_NONBLOCK默认未设置）:
（1）读端不读，写端一直写——写端不阻塞，直到写满管道才阻塞
（2）写端不写，但是读端一直读——读端阻塞
（3）读端一直读，且fd[0]保持打开，而写端写了一部分数据不写了，并且关闭fd[1]。——通道关闭的条件是所有的fd都关闭，所以此时通道未关闭，可以将通道内的消息继续读完。
（4）读端读了一部分数据，不读了且关闭fd[0]，写端一直在写且f[1]还保持打开状态。——原理同上。可以继续写，直到通道写满。