Linux学习总结08——进程间通信（pipe, fifo）

管道

管道是Unix系统IPC的最古老方式，有两种局限性：

（1）   历史上它们是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），虽然现在某些系统提供了全双工管道，但是为了可移植性，不要抱有绝对的全双工假设。

（2）   管道只能在具有公共祖先的两个进程之间使用（一般都是用于父子进程之间）。

管道是通过调用pipe函数创建的：

#include <unistd.h>

int pipe(int fd[2]);

返回值：成功，返回0；失败，返回-1

说明：

fd返回两个文件描述符：fd[0]用于读，fd[1]用于写，fd[1]的输出刚好是fd[0]的输入。

即shell为每一条命令单独创建一个进程，然后管道将前一条命令的标准输出与后一条命令的标准输入相连接。

注：

POSIX.1允许实现支持全双工管道，对于这些实现，fd[0]和fd[1]以读/写方式打开。

如下给出了两种描绘半双工管道的方法，左图中管道的两端在一个进程中相互连接，右图中则强调数据需要通过内核在管道中流动：

 

管道通常在单个进程中没有太大用处，下图显示了父子进程之间的管道：进程先调用pipe，接着调用fork，从而创建从父进程到子进程的IPC管道：

 

fork之后具体要做什么取决于我们想要的数据流的方向。对于从父进程到子进程的管道，父进程关闭管道的读端（fd[0]），子进程关闭管道的写端（fd[1]）：

 

当管道的一端被关闭后，下列两条规则起作用：

（1）   当read一个写端已被关闭的管道时，在所有数据都被读取后，read返回0，表示文件结束。

（2）   当write一个读端已被关闭的管道时，则产生信号SIGPIPE，如果忽略该信号或者捕捉该信号并从其处理程序返回，则write返回-1，errno设置为EPIPE。

 

如下为管道程序实例：

实例一：创建一个从父进程到子进程的管道，并且父进程经由该管道向子进程传送数据：

 1 [root@benxintuzi ipc]# cat pipe1.c 2 #include <unistd.h> 3 #include <stdio.h> 4  5 #define MAXLINE 1024 6  7 int main(void) 8 { 9         int             n;10         int             fd[2];11         pid_t   pid;12         char    line[MAXLINE];13 14         if (pipe(fd) < 0)15                 printf("pipe error\n");16         if ((pid = fork()) < 0) {17                 printf("fork error\n");18         } else if (pid > 0) {           /* parent */19                 close(fd[0]);20                 write(fd[1], "hello world\n", 12);              /* write data to fd[1] */21         } else {                                        /* child */22                 close(fd[1]);23                 n = read(fd[0], line, MAXLINE);                 /* read data from fd[0] */24                 write(STDOUT_FILENO, line, n);                  /* write data to standard output */25         }26 27         return (0);28 }29 30 [root@benxintuzi ipc]# ./pipe131 [root@benxintuzi ipc]# hello world32 33 [root@benxintuzi ipc]#

 

实例二：编写一个程序，其功能是每次一页地显示已产生的输出。为了避免先将所有数据写到一个临时文件中，然后再调用系统中有关程序显示该文件，我们希望通过管道将输出直接送到分页程序。为此，先创建一个管道，fork一个子进程，使子进程的标准输入成为管道的读端，然后调用exec，执行分页程序：（说明点：1. 在调用fork之前，先创建一个管道。调用fork之后，父进程关闭读端，子进程关闭写端，然后子进程调用dup2，使其标准输入成为管道的读端。当执行分页程序时，其标准输入就是管道的读端了; 2. 我们使用环境变量PAGER来获得用户分页程序名，如果没有成功，则使用系统默认值，这是环境变量的常见用法。）

  1 [root@benxintuzi ipc]# cat pipe2.c  2 #include <unistd.h>  3 #include <sys/wait.h>  4 #include <stdio.h>  5   6 #define DEF_PAGER       "/bin/more"             /* default pager program */  7 #define MAXLINE 1024  8   9 int main(int argc, char *argv[]) 10 { 11         int             n; 12         int             fd[2]; 13         pid_t   pid; 14         char    *pager, *argv0; 15         char    line[MAXLINE]; 16         FILE    *fp; 17  18         if (argc != 2) 19         { 20                 printf("usage: a.out <pathname>\n"); 21                 return (-1); 22         } 23  24         if ((fp = fopen(argv[1], "r")) == NULL) 25                 printf("can't open %s\n", argv[1]); 26         if (pipe(fd) < 0) 27                 printf("pipe error\n"); 28  29         if ((pid = fork()) < 0) { 30                 printf("fork error\n"); 31         } else if (pid > 0) {                                             /* parent */ 32                 close(fd[0]);           /* close read end */ 33  34                 /* parent copies argv[1] to pipe */ 35                 while (fgets(line, MAXLINE, fp) != NULL) { 36                         n = strlen(line); 37                         if (write(fd[1], line, n) != n) 38                                 printf("write error to pipe\n"); 39                 } 40                 if (ferror(fp)) 41                         printf("fgets error\n"); 42  43                 close(fd[1]);   /* close write end of pipe for reader */ 44  45                 if (waitpid(pid, NULL, 0) < 0) 46                         printf("waitpid error\n"); 47                 return (0); 48         } else {                                                          /* child */ 49                 close(fd[1]);   /* close write end */ 50                 if (fd[0] != STDIN_FILENO) { 51                         if (dup2(fd[0], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO) 52                                 printf("dup2 error to stdin\n"); 53                         close(fd[0]);   /* don't need this after dup2 */ 54                 } 55  56                 /* get arguments for execl() */ 57                 if ((pager = getenv("PAGER")) == NULL) 58                         pager = DEF_PAGER; 59                 if ((argv0 = strrchr(pager, '/')) != NULL) 60                         argv0++;                /* step past rightmost slash */ 61                 else 62                         argv0 = pager;  /* no slash in pager */ 63  64                 if (execl(pager, argv0, (char *)0) < 0) 65                         printf("execl error for %s\n", pager); 66         } 67         return (0); 68 } 69 [root@benxintuzi ipc]# ./pipe2 pipe2.c 70 #include <unistd.h> 71 #include <sys/wait.h> 72 #include <stdio.h> 73  74 #define DEF_PAGER       "/bin/more"             /* default pager program */ 75 #define MAXLINE 1024 76  77 int main(int argc, char *argv[]) 78 { 79         int             n; 80         int             fd[2]; 81         pid_t   pid; 82         char    *pager, *argv0; 83         char    line[MAXLINE]; 84         FILE    *fp; 85  86         if (argc != 2) 87         { 88                 printf("usage: a.out <pathname>\n"); 89                 return (-1); 90         } 91  92         if ((fp = fopen(argv[1], "r")) == NULL) 93                 printf("can't open %s\n", argv[1]); 94         if (pipe(fd) < 0) 95                 printf("pipe error\n"); 96  97         if ((pid = fork()) < 0) { 98                 printf("fork error\n"); 99         } else if (pid > 0) {                                             /* parent */100                 close(fd[0]);           /* close read end */101 102                 /* parent copies argv[1] to pipe */103                 while (fgets(line, MAXLINE, fp) != NULL) {104 --More--

 

实例三：父子进程同步函数的管道实现：TELL_WAIT、TELL_PARENT、TELL_CHILD、WAIT_PARENT、WAIT_CHILD：（说明点：父进程在调用TELL_CHILD时，经由上一个管道写一个字符“p”，子进程在调用TELL_PARENT时，经由下一个管道写一个字符“c”，相应的WAIT_XXX函数调用read读一个字符，没有读到字符时则阻塞）

  

 1 static int    pfd1[2], pfd2[2]; 2  3 void TELL_WAIT(void) 4 { 5     if (pipe(pfd1) < 0 || pipe(pfd2) < 0) 6         printf("pipe error\n"); 7 } 8  9 void TELL_PARENT(pid_t pid)10 {11     if (write(pfd2[1], "c", 1) != 1)12         printf("write error\n");13 }14 15 void WAIT_PARENT(void)16 {17     char    c;18 19     if (read(pfd1[0], &c, 1) != 1)20         printf("read error\n");21 22     if (c != 'p')23     {24         printf("WAIT_PARENT: incorrect data\n");25         return ;26     }27 28 }29 30 void TELL_CHILD(pid_t pid)31 {32     if (write(pfd1[1], "p", 1) != 1)33         printf("write error\n");34 }35 36 void WAIT_CHILD(void)37 {38     char    c;39 40     if (read(pfd2[0], &c, 1) != 1)41         printf("read error\n");42 43     if (c != 'c')44     {45         printf("WAIT_CHILD: incorrect data\n");46         return ;47     }48 }

 

常见的操作是创建一个连接到另一个进程的管道，然后读其输出或向其输入端发送数据，为此，标准I/O库提供了两个函数popen和pclose。这两个函数的功能是：创建一个管道，fork一个子进程，关闭未使用的管道端，然后执行一个shell运行命令，等待命令终止（使用popen可以减少代码编写量）。

#include <stdio.h>

FILE* popen(const char* cmdstring, const char* type);

返回值：成功，返回文件指针；失败，返回NULL

int pclose(FILE* fp);

返回值：成功，返回cmdstring的终止状态；失败，返回-1

说明：

函数popen先执行fork，然后调用exec执行cmdstring，并且返回一个标准I/O文件指针。如果type是r，则文件指针连接到cmdstring的标准输出；如果type是w，则文件指针连接到cmdstring的标准输入，见下图：

 

pclose函数关闭标准I/O流，等待命令终止，然后返回shell的终止状态。

cmdstring由Bourne shell以下列方式执行：sh –c cmdstring

 shell命令${PAGER:-more}的意思是：如果shell变量PAGER已经定义，且其值非空，则使用其值，否则使用字符串more。利用popen函数重写实例二：

 1 [root@benxintuzi ipc]# cat pipe3.c 2 #include <stdio.h> 3 #include <sys/wait.h> 4  5 #define MAXLINE 1024 6 #define PAGER   "${PAGER:-more}" /* environment variable, or default */ 7  8 int main(int argc, char *argv[]) 9 {10         char    line[MAXLINE];11         FILE    *fpin, *fpout;12 13         if (argc != 2)14         {15                 printf("usage: a.out <pathname>\n");16                 return (-1);17         }18 19         if ((fpin = fopen(argv[1], "r")) == NULL)20                 printf("can't open %s\n", argv[1]);21 22         if ((fpout = popen(PAGER, "w")) == NULL)23                 printf("popen error\n");24 25         /* copy argv[1] to pager */26         while (fgets(line, MAXLINE, fpin) != NULL) {27                 if (fputs(line, fpout) == EOF)28                         printf("fputs error to pipe\n");29         }30         if (ferror(fpin))31                 printf("fgets error\n");32         if (pclose(fpout) == -1)33                 printf("pclose error\n");34 35         return (0);36 }37 [root@benxintuzi ipc]# ./pipe3 pipe2.c38 #include <unistd.h>39 #include <sys/wait.h>40 #include <stdio.h>41 42 #define DEF_PAGER       "/bin/more"             /* default pager program */43 #define MAXLINE 102444 45 int main(int argc, char *argv[])46 {47         int             n;48         int             fd[2];49         pid_t   pid;50         char    *pager, *argv0;51         char    line[MAXLINE];52         FILE    *fp;53 54         if (argc != 2)55         {56                 printf("usage: a.out <pathname>\n");57                 return (-1);58         }59 60         if ((fp = fopen(argv[1], "r")) == NULL)61                 printf("can't open %s\n", argv[1]);62         if (pipe(fd) < 0)63                 printf("pipe error\n");64 65         if ((pid = fork()) < 0) {66                 printf("fork error\n");67         } else if (pid > 0) {                                             /* parent */68                 close(fd[0]);           /* close read end */69 70                 /* parent copies argv[1] to pipe */71                 while (fgets(line, MAXLINE, fp) != NULL) {72 --More--

 

协同进程：

当一个进程既要产生某个程序的输入，又读取该程序的输出时，它就变成了协同进程（coprocess）。协同进程通常在shell后台运行，其标准输入和标准输出通过管道连接到另一个程序。popen只提供连接到另一个进程的标准输入或标准输出的一个单向管道，而协同进程则有连接到另一个进程的两个单向管道：一个连接到其标准输入，另一个则来自其标准输出。

实例：从标准输入读取两个数，计算它们的和，然后将和写至其标准输出。

 1 [root@benxintuzi ipc]# cat coprocess.c 2 #include <unistd.h> 3 #include <stdio.h> 4  5 #define MAXLINE 1024 6  7 int main(void) 8 { 9         int             n, int1, int2;10         char    line[MAXLINE];11 12         while ((n = read(STDIN_FILENO, line, MAXLINE)) > 0) {13                 line[n] = 0;            /* null terminate */14                 if (sscanf(line, "%d%d", &int1, &int2) == 2) {15                         sprintf(line, "%d\n", int1 + int2);16                         n = strlen(line);17                         if (write(STDOUT_FILENO, line, n) != n)18                                 printf("write error\n");19                 } else {20                         if (write(STDOUT_FILENO, "invalid args\n", 13) != 13)21                                 printf("write error\n");22                 }23         }24 25         return (0);26 }27 28 [root@benxintuzi ipc]# ./coprocess29 1 230 331 10 2032 3033 100 20034 30035 ^C36 [root@benxintuzi ipc]#

 

实例：将上述程序编译成为add2协同进程，然后下列程序创建了两个管道，父进程、子进程各自关闭了它们不需要的管道端，必须使用两个管道：一个用作协同进程的标准输入，另一个用作它的标准输出。然后子进程调用dup2使管道描述符移至其标准输入和标准输出，最后调用了excel执行add2：

 1 [root@benxintuzi ipc]# gcc coprocess.c -o add2 2 [root@benxintuzi ipc]# cat coprocess2.c 3 #include <unistd.h> 4 #include <signal.h> 5 #include <stdio.h> 6  7 #define MAXLINE 1024 8  9 static void     sig_pipe(int);          /* our signal handler */10 11 int main(void)12 {13         int             n, fd1[2], fd2[2];14         pid_t   pid;15         char    line[MAXLINE];16 17         if (signal(SIGPIPE, sig_pipe) == SIG_ERR)18                 printf("signal error\n");19 20         if (pipe(fd1) < 0 || pipe(fd2) < 0)21                 printf("pipe error\n");22 23         if ((pid = fork()) < 0) {24                 printf("fork error\n");25         } else if (pid > 0) {                                             /* parent */26                 close(fd1[0]);27                 close(fd2[1]);28 29                 while (fgets(line, MAXLINE, stdin) != NULL) {30                         n = strlen(line);31                         if (write(fd1[1], line, n) != n)32                                 printf("write error to pipe\n");33                         if ((n = read(fd2[0], line, MAXLINE)) < 0)34                                 printf("read error from pipe\n");35                         if (n == 0) {36                                 printf("child closed pipe\n");37                                 break;38                         }39                         line[n] = 0;    /* null terminate */40                         if (fputs(line, stdout) == EOF)41                                 printf("fputs error\n");42                 }43 44                 if (ferror(stdin))45                         printf("fgets error on stdin\n");46                 exit(0);47         } else {                                                          /* child */48                 close(fd1[1]);49                 close(fd2[0]);50                 if (fd1[0] != STDIN_FILENO) {51                         if (dup2(fd1[0], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO)52                                 printf("dup2 error to stdin\n");53                         close(fd1[0]);54                 }55 56                 if (fd2[1] != STDOUT_FILENO) {57                         if (dup2(fd2[1], STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO)58                                 printf("dup2 error to stdout\n");59                         close(fd2[1]);60                 }61                 if (execl("./add2", "add2", (char *)0) < 0)62                         printf("execl error\n");63         }64         exit(0);65 }66 67 static void sig_pipe(int signo)68 {69         printf("SIGPIPE caught\n");70         exit(1);71 }72 73 [root@benxintuzi ipc]# ./coprocess274 100 5075 15076 100 50077 600

 

FIFO

FIFO有时被称为命名管道，未命名的管道只能在两个相关的进程之间使用，而且这两个相关的进程还要有一个共同的祖先进程。但是，通过FIFO，不相关的进程之间也能交换数据。

使用如下函数创建FIFO：

#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char* path, mode_t mode);

int mkfifoat(int fd, const char* path, mode_t mode);

返回值：成功，返回0；失败，返回-1

说明：

mkfifoat与mkfifo相似，像之前其他*at系列函数一样，有3种情形：

（1）   如果path参数指定了绝对路径名，则fd被忽略，此时mkfifoat和mkfifo一样。

（2）   如果path参数指定了相对路径名，则fd参数是一个打开目录的有效文件描述符，路径名和目录有关。

（3）   如果path参数指定了相对路径名，并且fd参数指定了AT_FDCWD，则路径名以当前目录开始，mkfifoat和mkfifo类似。

当我们使用mkfifo或者mkfifoat函数创建FIFO时，要用open打开，确是，正常的I/O函数（如close、read、write、unlink）都需要FIFO。当open一个FIFO时，非阻塞标志（O_NONBLOCK）会产生如下影响：

（1）   没有指定O_NONBLOCK时，只读open要阻塞到某个其他进程为写而打开这个FIFO为止。类似地，只写open要阻塞到某个其他进程为读而打开这个FIFO为止。

（2）   如果指定了P_NONBLOCK，则只读open立即返回。但是，如果没有进程为读而打开这个FIFO，那么只写open将返回-1，并将errno设置为ENXIO。

一个给定的FIFO有多个写进程是很常见的，这就意味着，如果不希望多个进程所写的数据交叉，则必须考虑原子写操作。和管道一样，常量PIPE_BUF说明了可被原子地写到FIFO的最大数据量。

 

FIFO主要有以下两种用途：

（1）   shell命令使用FIFO将数据从一条管道传送到另一条管道，无需创建中间临时文件。

实例：考虑这样一个过程，他需要对一个输入文件进行两次处理，示意图如下：

 

我们可以使用FIFO和tee命令如下处理：

mkfifo fifo1

prog3 < fifo1 &

prog1 < （输入文件） | tee fifo1 | prog2

执行流程如下：

 

（2）   客户进程-服务器进程应用程序中，FIFO用作汇聚点，在客户进程和服务器进程之间传递数据。

实例：有一个服务器进程，它与很多客户进程相关，每个客户进程都可将请求写到一个该服务器进程创建的FIFO中。由于该FIFO有多个写进程，因此客户进程每次发送给服务器的数据长度要小于PIPE_BUF字节，这样就能避免客户进程之间的写交叉。

 

但是这种类型的FIFO设计有问题，服务器如何回应各个客户进程呢？一种解决方法是，每个客户进程都在其请求中包含它的进程ID，然后服务器进程为每个客户进程创建一个FIFO，所使用的路径名是以客户进程的进程ID为基础的。例如，服务进程可以用名字/tmp/serv1.XXXXX创建FIFO，其中XXXXX被替换成客户进程的进程ID，如下图所示：