IPC学习笔记之 管道和FIFO

1、概述

管道是最初的UNIX IPC形式，由于管道没有名字，所以只能在用于有亲缘关系的进程（所谓的亲缘关系是指进程间有共同的祖先）。FIFO则被称为命名管道。

先说明fork，exec，_exit函数对管道及fifo函数的影响：
fork：子进程取得父进程的管道以及fifo描述字的拷贝。
exec：所有代开的描述字依旧打开，除非已经设置描述字的FD_CLOEXEC位。
_exit：关闭所有打开的描述字，最后一个描述字关闭时删除管道与FIFO中的数据。

管道和FIFO涉及的函数有：pipe, mkfifo, fcntl, open, read, write, close, unlink.

2、管道函数及说明：int pipe(int fd[2]);

（1）、这个函数提供一个单向管道。fd是输出参数，fd[0]用来读出，fd[1]用来写入（这里的读出和写入是的宾语是管道）。函数成功返回0，错误返回-1.

注意：a、linux的system call（相当于系统API）函数的返回值是成功返回0，返回其他的就表示出错，而windows的api函数则刚好相反，错误返回0，成功返回其他。b、这里不写函数的头文件，要知道它用到那些头文件，在类unix下用man来查看即可，如：man 2 pipe，2表示pipe是一个系统调用，如果是c函数库里面的函数则按3。

（2）、管道的典型用途如下(用来作为父子进程消息的共享)：
a、创建管道1（int fd1[2]) 和管道2(int fd2[2]);
b、fork创建子进程
c、父进程关闭管道1的读出端和2的写入端（fd1[0]，fd2[1])
d、子进程关闭管道2的读出端和1的写入端（fd1[1]，fd2[0])
代码如下：

int pipe1[2];
int pipe2[2];

pid_t childPid;

pipe(pipe1);
pipe(pipe2);

 

if( ( childPid = fork()) == 0 ) /* child process */
{
    close(pipe1[1]);
    close(pipe2[0]);
    ...   /* your code */
}

/* parent process */
close(pipe1[0]);
close(pipe2[1]);
...
waitpid(childPid, NULL, 0);

...
子进程在这里用来专门做一件事情，像服务器。而父进程就相当于客户端。如是，子进程在完成任务之后就exit（0），那么但子进程终止时候变成僵尸进程（zombie），内核给父进程发送一个信号SIGCHILD，但是父进程没有扑抓，缺省行为是忽略；父进程后面调用到waitpid的时候就可以等待childPid进程的终止，取得终止状态。如果没有waitpid而直接返回，则父进程返回后那个僵尸子进程将成为托孤给init进程的孤儿进程。内核将为init进程发送SIGCHILD信号。

这样子，就变成： 客户-->管道fd1-->服务器；服务器-->fd2-->客户

3、fifo 有名管道（fifo的意思是：先进先出）
也是一个半双工的单向数据流，但是有一个路径名与之相连。函数如下：
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

说明：
a、mkfifo函数已经隐含制订了O_CREAT | O_EXCL也就是说如果pathname那个管道已经存在，则返回一个错误值EEXIST，如果想打开一个已经存在的管道，用open()即可。
b、由于fifo是先进先出的，所以write函数总是往管道末尾写入数据，而read函数总是从管道的开头返回数据，如果用lseek定位文件指针，会返回ESPIPE错误。

应用：

/* server.c */

...

if( ( mkfifo(FIFO1, FILE_MODE ) < 0 ) && (errno != EEXIST ) )
    /* error handle and exit(1) */

if( ( mkfifo(FIFO2, FILE_MODE ) < 0 ) && (errno != EEXIST ) )
{
    unlink(FIFO1);
    /* error handle and exit(1) */
}

readfd = open(FIFO1, O_RDONLY, 0);
writefd = open(FIFO2, O_WRONLY, 0);

/* your code */

exit(0);
这是服务器进程的FIFO，其中FIFO1，FIFO2可以定义一个宏来指定，比如，#define FIFO1 "/temp/fifo.1"(路径名随意，不过由于是临时的文件，一般放在/temp目录下，权限比较低嘛)

打开文件之后就可以用read，write函数往管道读写信息了，FIFO1，FIFO2就是像文件描述符。

再看client的代码：

/* client.h */

writefd = open(FIFO1, O_WRONLY, 0);
readfd = open(FIFO2, O_RDONLY, 0);

/* your code */

 

close(writefd);
close(readfd);

 

unlink(FIFO1);
unlink(FIFO2);

exit(0);
说明：a、通常管道是由服务器建立，由客户端销毁（unlink函数），close只是关闭管道而已。b、注意clinet.h上的那两个open和server.h上的那两个open的顺序，否则会引起死锁（见后面）

4、阻塞态下的规则（阻塞态是默认的状态）：

（1）、管道和FIFOopen函数的返回结果：
writefd = open(FIFO1, O_WRONLY, 0); 这个是用只写方式打开管道，如果FIFO1此时已经有别的进程以只读方式打开（就是说在这条代码运行之前，已经有代码open(FIFO1, O_RDONLY, 0）运行），则此函数返回成功，否则，将会阻塞到有别的进程以只读方式打开FIFO1为止。反过来也一样。

（2）、read函数作用于管道和FIFO 的返回结果：
如果FIFO1为空（就是说里面没有数据）：该管道以只读方式打开，则返回0；FIFO1以只写方式打开，则阻塞到FIFO1有数据或者是FIFO1不再以写方式打开为止。

（3）、write函数作用于管道和FIFO的返回结果：
如果FIFO1没有以只读方式打开，则给进程产生SIGPIPE信号（缺省行为是终止该进程）；如果已经以只读方式打开，则见下。

（4）、write操作的原子性：
如果写入数据的字节数小于等于PIPE_BUF，则该函数保证其原子性；否则不能保证。

现在来看一下上面那个程序，服务器代码先运行,因此：当起运行到readfd = open(FIFO1, O_RDONLY, 0);的时候，还没有任何进程以O_WRONLY方式打开FIFO1，进程阻塞在这里；

然后客户端代码开始运行，但运行到这个地方的时候：writefd = open(FIFO1, O_WRONLY, 0);服务器阻塞的地方开始释放，而在客户端，因为FIFO1在服务器已经是以O_RDONLY打开了，所以继续运行。

如果客户端的这两个open交换一个顺序，那么readfd = open(FIFO2, O_RDONLY, 0);先运行，则由于FIFO2还没有以O_WRONLY方式打开，所以客户端也阻塞，客户和服务器都阻塞，大家都在等对方的资源，这种情况我们称之为死锁（deadlock）

5、非阻塞态下的规则：

（1）、非阻塞态的设置。
a、调用open时可以指定 readfd = open(FIFO1, O_RDONLY | O_NONBLOCK );
b、如果readfd已经打开，则可以用fcntl来设置O_NONBLOCK标志。

（2）、对open操作的影响：
如果当前操作是wrfd = open(FIFO1, O_WRONLY | O_NONBLOCK, 0); 那么如果是FIFO1在此以前没有用O_RDONLY方式打开过，返回ENOXIO错误，否则都成功返回。

（3）、对空管道或空FIFO read操作的影响：read(readfd, ...); 如果该readfd对应的FIFO用O_WRONLY打开返回0，否则返回EAGAIN。

（4）、对write操作的影响同阻塞态下。

6、技巧：单个服务器多个客户时候，服务器中有连续的两行代码：
readfifo = open(SERV_FIFO, O_RDONLY, 0);
dummy = open(SERV_FIFO, O_WRONLY, 0);
作用：a、服务器运行到readfifo，阻塞，直到有客户用O_WRONLY打开SERV_FIFO为止。然后因为SERV_FIFO已经以O_RDONLY打开，因此这个dummy成功返回。
b、到客户完成任务，关闭SERV_FIFO时，SERV_FIFO变成空，因此，服务器在运行到read语句的时候，阻塞知道下一个客户以O_WRONLY方式打开SERV_FIFO为止（也就是直到有下一个用户请求为止）

7、Dos攻击（拒绝服务型攻击）
有见上面的阻塞，有个攻击方法就是说，发送一条请求，但是从来不打开自己的FiFO，让服务器死等。服务器一直阻塞，没办法用了。

当然，现在的服务器都是并发性服务器，最多只能阻塞他的一个子进程；但是即使在这种情况下一样可以进行Dos攻击，方法是发送大量的请求，以至于服务器开辟的进程达到极限，而且每个子进程都用上面的办法来阻塞。（此时不但服务器进程被阻塞了，整个服务器系统都被阻塞了）。

8、字节流
管道和FIFO是以字节流的方式来传递信息的，类似于TCP。那么怎样区分信息的界限呢？有下面三种常用的技巧：

a、带内特殊终止符：分隔标志（类似与SLIP的标记）
b、显示长度在信息头：像TCP协议栈实现。
c、每次连接一个记录：像HTTP1.0协议实现。

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