Linux系统编程与网络编程——管道FIFO（十二）

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：
（1）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。
（2）管道存放在内存中，是一种独立的文件系统。

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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：

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：

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。

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。

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）。

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有名管道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。

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mkfifo()函数原型为：

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。

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。

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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：

例如：

#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>

#define _GNU_SOURCE

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;
}

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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查看系统限制

pathconf函数返回配置文件的限制值，是与文件或目录相关联的运行时限制。path参数是你想得到限制值的路径，name是想得到限制值的名称，name的取值主要有以下几个取值：