Linux下處理序間通訊：具名管道-mkfifo

轉自：http://cpp.ezbty.org/content/science_doc/linux%E4%B8%8B%E8%BF%9B%E7%A8%8B%E9%97%B4%E9%80%9A%E4%BF%A1%EF%BC%9A%E5%91%BD%E5%90%8D%E7%AE%A1%E9%81%93_mkfifo

摘要：處理序間通訊的方法有很多，FIFO與管道是最古老，也是相對來說更簡單的一個通訊機制。FIFO相對管道有一個優勢，就是FIFO只要求兩個進程是同一主機的，而不要求進程之間存在親緣關係。FIFO是存在於檔案系統的檔案，可以使用諸如open、read、write等函數來操作。本文總結網路和APUE關於FIFO討論，同時參考了Linux系統手冊。

目錄 [隱藏]

1. FIFO（具名管道）概述
2. mkfifo函數
3. 具名管道讀寫規則
   1. 從FIFO中讀取資料
   2. 從FIFO中寫入資料
4. FIFO樣本

FIFO（具名管道）概述

FIFO是一種進程通訊機制，它突破通常管道無法進行無關進程之間的通訊的限制，使得同一主機內的所有的進程都可以通訊。FIFO是一個檔案類型，stat結構中st_mode指明一個檔案結點是不是一個FIFO，可以使用宏S_ISFIFO來測試這一點。

當一個FIFO存在於檔案系統裡時，我們只需要在想進行通訊的進程內開啟這個檔案就可以了。當然FIFO作為一個特殊的檔案，它有一些不同普通檔案特性，下面會詳細詳述它的讀寫規則，這些相對精通檔案來有一定的區別。

我們可以使用open、read、write來操作FIFO檔案，從而實現處理序間通訊的目的。在shell環境下，也可以直接使用FIFO，這時往往與重寫向有一些關聯，一般系統都提供mkfifo公用程式來建立一個FIFO檔案，這個程式實際上使用mkfifo系統調用來完成這個事。

mkfifo函數

mkfifo建立一個指定名字的FIFO，它的函數原型如下：

#include<sys/stat.h>
int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode);
傳回值：成功，0；失敗，-1

 

參數pathname指出想要建立的FIFO路徑，參數mode指定建立的FIFO訪問模式。這個訪問會與當前進程的umask進程運算，以產生實際應用的許可權模式。

mkfifo返回-1時表示建立過程中遇到某種錯誤，此時會設定errno，使用者可以檢測errno來取得進一步資訊：

• EACCES： 路徑所在的目錄不允許執行許可權
• EEXIST：路徑已經存在，這時包括路徑是一個符號連結，無論它是懸空還沒有懸空。
• ENAMETOOLONG：要麼全部的檔案名稱大於PATH_MAX，要麼是單獨的檔案名稱大於NAME_MAX。在GNU系統裡沒有這個檔案名稱長度的限制，但在其它系統裡可能存在。
• ENOENT：目錄部分不存在，或者是一個懸空連結。
• ENOTDIR：目錄部分不一個目錄。
• EROFS：路徑指向一個唯讀檔案系統。

 

具名管道讀寫規則

FIFO又叫具名管道，事實上它與管道確實在下許多相似之處，下面關於規則的討論很體現這個相似。

從FIFO中讀取資料

約定：如果一個進程為了從FIFO中讀取資料而阻塞開啟了FIFO，那麼稱該進程內的讀操作為設定了阻塞標誌的讀操作。

• 如果有進程寫開啟FIFO，且當前FIFO為空白，則對於設定了阻塞標誌的讀操作來說，將一直阻塞下去，直到有資料可以讀時才繼續執行；對於沒有設定阻塞標誌的讀操作來說，則返回0個位元組，當前errno值為EAGAIN，提醒以後再試。
• 對於設定了阻塞標誌的讀操作來說，造成阻塞的原因有兩種：一、當前FIFO內有資料，但有其它進程在讀這些資料；二、FIFO本身為空白。
  解阻塞的原因是：FIFO中有新的資料寫入，不論寫入資料量的大小，也不論讀操作請求多少資料量，只要有資料寫入即可。
• 讀開啟的阻塞標誌只對本進程第一個讀操作施加作用，如果本進程中有多個讀操作序列，則在第一個讀操作被喚醒並完成讀操作後，其它將要執行的讀操作將不再阻塞，即使在執行讀操作時，FIFO中沒有資料也一樣（此時，讀操作返回0）。
• 如果沒有進程寫開啟FIFO，則設定了阻塞標誌的讀操作會阻塞。
• 如果FIFO中有資料，則設定了阻塞標誌的讀操作不會因為FIFO中的位元組數少於請求的位元組數而阻塞，此時，讀操作會返回FIFO中現有的資料量。

從FIFO中寫入資料

約定：如果一個進程為了向FIFO中寫入資料而阻塞開啟FIFO，那麼稱該進程內的寫操作為設定了阻塞標誌的寫操作。

FIFO的長度是需要考慮的一個很重要因素。系統對任一時刻在一個FIFO中可以存在的資料長度是有限制的。它由#define PIPE_BUF定義，在標頭檔limits.h中。在Linux和許多其他類UNIX系統中，它的值通常是4096位元組，Red Hat Fedora9下是4096，但在某些系統中它可能會小到512位元組。

雖然對於只有一個FIFO寫進程和一個FIFO的讀進程而言，這個限制並不重要，但只使用一個FIFO並允許多個不同進程向一個FIFO讀進程發送請求的情況是很常見的。如果幾個不同的程式嘗試同時向FIFO寫資料，能否保證來自不同程式的資料區塊不相互交錯就非常關鍵了à也就是說，每個寫操作必須“原子化”。

設定了阻塞標誌的寫操作：

• 當要寫入的資料量不大於PIPE_BUF時，Linux將保證寫入的原子性。如果此時管道空閑緩衝區不足以容納要寫入的位元組數，則進入睡眠，直到當緩衝區中能夠容納要寫入的位元組數時，才開始進行一次性寫操作。即寫入的資料長度小於等於PIPE_BUF時，那麼或者寫入全部位元組，或者一個位元組都不寫入，它屬於一個一次性行為，具體要看FIFO中是否有足夠的緩衝區。
• 當要寫入的資料量大於PIPE_BUF時，Linux將不再保證寫入的原子性。FIFO緩衝區一有空閑地區，寫進程就會試圖向管道寫入資料，寫操作在寫完所有請求寫的資料後返回。

沒有設定阻塞標誌的寫操作：

• 當要寫入的資料量不大於PIPE_BUF時，Linux將保證寫入的原子性。如果當前FIFO空閑緩衝區能夠容納請求寫入的位元組數，寫完後成功返回；如果當前FIFO空閑緩衝區不能夠容納請求寫入的位元組數，則返回EAGAIN錯誤，提醒以後再寫。
• 當要寫入的資料量大於PIPE_BUF時，Linux將不再保證寫入的原子性。在寫滿所有FIFO空閑緩衝區後，寫操作返回。

FIFO樣本

本段給出使用FIFO一個樣本，它體現了兩個使用FIFO的典型情景。

建立FIFO

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
int main()
{
        int res = mkfifo("/tmp/my_fifo", 0777);
        if(res == 0)
        {
                printf("FIFO created\n");
        }
        exit(EXIT_SUCCESS);
}

 

使用FIFO

#include<errno.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>

FIFO "/tmp/my_fifo"
//本程式從一個FIFO讀資料，並把讀到的資料列印到標準輸出
//如果讀到字元“Q”，則退出
int main(int argc, char** argv)
{
        char buf_r[100];
        int fd;
        int nread;
        if((mkfifo(FIFO, O_CREAT) < 0) && (errno != EEXIST))
        {
                printf("不能建立FIFO\n");
                exit(1);
        }

        printf("準備讀取資料\n");
        fd = open(FIFO, O_RDONLY, 0);
        if(fd == -1)
        {
                perror("開啟FIFO");
                exit(1);
        }

        while(1)
        {
                if((nread = read(fd, buf_r, 100)) == -1)
                {
                        if(errno == EAGAIN) printf("沒有資料\n");
                }

                //假設取到Q的時候退出
                if(buf_r[0]=='Q') break;

                buf_r[nread]=0;
                printf("從FIFO讀取的資料為：%s\n", buf_r);
                sleep(1);
        }

}