IPC學習筆記（2） 管道和FIFO

1、概述

管道是最初的UNIX IPC形式，由於管道沒有名字，所以只能在用於有親緣關係的進程（所謂的親緣關係是指進程間有共同的祖先）。FIFO則被稱為具名管道。

先說明fork，exec，_exit函數對管道及fifo函數的影響：
fork：子進程取得父進程的管道以及fifo描述字的拷貝。
exec：所有代開的描述字依舊開啟，除非已經設定描述字的FD_CLOEXEC位。
_exit：關閉所有開啟的描述字，最後一個描述字關閉時刪除管道與FIFO中的資料。

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

2、管道函數及說明：int pipe(int fd[2]);

（1）、這個函數提供一個單向管道。fd是輸出參數，fd[0]用來讀出，fd[1]用來寫入（這裡的讀出和寫入是的賓語是管道）。函數成功返回0，錯誤返回-1.

注意：a、linux的system call（相當於系統API）函數的傳回值是成功返回0，返回其他的就表示出錯，而windows的api函數則剛好相反，錯誤返回0，成功返回其他。b、這裡不寫函數的標頭檔，要知道它用到那些標頭檔，在類unix下用man來查看即可，如：man 2 pipe，2表示pipe是一個系統調用，如果是c函數庫裡面的函數則按3。

（2）、管道的典型用途如下(用來作為父子進程訊息的共用)：
a、建立管道1（int fd1[2]) 和管道2(int fd2[2]);
b、fork建立子進程
c、父進程關閉管道1的讀出端和2的寫入端（fd1[0]，fd2[1])
d、子進程關閉管道2的讀出端和1的寫入端（fd1[1]，fd2[0])
代碼如下：

1. int pipe1[2];
2. int pipe2[2];
3. 
   

1. pid_t childPid;
3. pipe(pipe1);
4. pipe(pipe2);
5. 
   
7. if( ( childPid = fork()) == 0 ) /* child process */
8. {
9.     close(pipe1[1]);
10.     close(pipe2[0]);
11.     ...   /* your code */
12. }
14. /* parent process */
15. close(pipe1[0]);
16. close(pipe2[1]);
17. ...
18. waitpid(childPid, NULL, 0);
20. ...

子進程在這裡用來專門做一件事情，像伺服器。而父進程就相當於用戶端。如是，子進程在完成任務之後就exit（0），那麼但子進程終止時候變成殭屍進程（zombie），核心給父進程發送一個訊號SIGCHILD，但是父進程沒有撲抓，預設行為是忽略；父進程後面調用到waitpid的時候就可以等待childPid進程的終止，取得終止狀態。如果沒有waitpid而直接返回，則父進程返回後那個殭屍子進程將成為託孤給init進程的孤兒進程。核心將為init進程發送SIGCHILD訊號。

這樣子，就變成： 客戶-->管道fd1-->伺服器；伺服器-->fd2-->客戶

3、fifo 有名管道（fifo的意思是：先進先出）
也是一個半雙工的單向資料流，但是有一個路徑名與之相連。函數如下：
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

說明：
a、mkfifo函數已經隱含制訂了O_CREAT | O_EXCL也就是說如果pathname那個管道已經存在，則返回一個錯誤值EEXIST，如果想開啟一個已經存在的管道，用open()即可。
b、由於fifo是先進先出的，所以write函數總是往管道末尾寫入資料，而read函數總是從管道的開頭返回資料，如果用lseek定位檔案指標，會返回ESPIPE錯誤。

應用：

1. /* server.c */
3. ...
5. if( ( mkfifo(FIFO1, FILE_MODE ) < 0 ) && (errno != EEXIST ) )
6.     /* error handle and exit(1) */
8. if( ( mkfifo(FIFO2, FILE_MODE ) < 0 ) && (errno != EEXIST ) )
9. {
10.     unlink(FIFO1);
11.     /* error handle and exit(1) */
12. }
14. readfd = open(FIFO1, O_RDONLY, 0);
15. writefd = open(FIFO2, O_WRONLY, 0);
17. /* your code */
19. exit(0);

這是伺服器處理序的FIFO，其中FIFO1，FIFO2可以定義一個宏來指定，比如，#define FIFO1 "/temp/fifo.1"(路徑名隨意，不過由於是臨時的檔案，一般放在/temp目錄下，許可權比較低嘛)

開啟檔案之後就可以用read，write函數往管道讀寫資訊了，FIFO1，FIFO2就是像檔案描述符。

再看client的代碼：

1. /* client.h */
3. writefd = open(FIFO1, O_WRONLY, 0);
4. readfd = open(FIFO2, O_RDONLY, 0);
6. /* your code */
9. close(writefd);
10. close(readfd);
13. unlink(FIFO1);
14. unlink(FIFO2);
16. exit(0);

說明：a、通常管道是由伺服器建立，由用戶端銷毀（unlink函數），close只是關閉管道而已。b、注意clinet.h上的那兩個open和server.h上的那兩個open的順序，否則會引起死結（見後面）

4、阻塞態下的規則（阻塞態是預設的狀態）：

（1）、管道和FIFOopen函數的返回結果：
writefd = open(FIFO1, O_WRONLY, 0); 這個是用唯寫方式開啟管道，如果FIFO1此時已經有別的進程以唯讀方式開啟（就是說在這條代碼運行之前，已經有代碼open(FIFO1, O_RDONLY, 0）運行），則此函數返回成功，否則，將會阻塞到有別的進程以唯讀方式開啟FIFO1為止。反過來也一樣。

（2）、read函數作用於管道和FIFO 的返回結果：
如果FIFO1為空白（就是說裡面沒有資料）：該管道以唯讀方式開啟，則返回0；FIFO1以唯寫方式開啟，則阻塞到FIFO1有資料或者是FIFO1不再以寫方式開啟為止。

（3）、write函數作用於管道和FIFO的返回結果：
如果FIFO1沒有以唯讀方式開啟，則給進程產生SIGPIPE訊號（預設行為是終止該進程）；如果已經以唯讀方式開啟，則見下。

（4）、write操作的原子性：
如果寫入資料的位元組數小於等於PIPE_BUF，則該函數保證其原子性；否則不能保證。

現在來看一下上面那個程式，伺服器代碼先運行,因此：當起運行到readfd = open(FIFO1, O_RDONLY, 0);的時候，還沒有任何進程以O_WRONLY方式開啟FIFO1，進程阻塞在這裡；

然後用戶端代碼開始運行，但運行到這個地方的時候：writefd = open(FIFO1, O_WRONLY, 0);伺服器阻塞的地方開始釋放，而在用戶端，因為FIFO1在伺服器已經是以O_RDONLY開啟了，所以繼續運行。

如果用戶端的這兩個open交換一個順序，那麼readfd = open(FIFO2, O_RDONLY, 0);先運行，則由於FIFO2還沒有以O_WRONLY方式開啟，所以用戶端也阻塞，客戶和伺服器都阻塞，大家都在等對方的資源，這種情況我們稱之為死結（deadlock）

5、非阻塞態下的規則：

（1）、非阻塞態的設定。
a、調用open時可以指定 readfd = open(FIFO1, O_RDONLY | O_NONBLOCK );
b、如果readfd已經開啟，則可以用fcntl來設定O_NONBLOCK標誌。

（2）、對open操作的影響：
如果當前操作是wrfd = open(FIFO1, O_WRONLY | O_NONBLOCK, 0); 那麼如果是FIFO1在此以前沒有用O_RDONLY方式開啟過，返回ENOXIO錯誤，否則都成功返回。

（3）、對空管道或空FIFO read操作的影響：read(readfd, ...); 如果該readfd對應的FIFO用O_WRONLY開啟返回0，否則返回EAGAIN。

（4）、對write操作的影響同阻塞態下。

6、技巧：單個伺服器多個客戶時候，伺服器中有連續的兩行代碼：
readfifo = open(SERV_FIFO, O_RDONLY, 0);
dummy = open(SERV_FIFO, O_WRONLY, 0);
作用：a、伺服器運行到readfifo，阻塞，直到有客戶用O_WRONLY開啟SERV_FIFO為止。然後因為SERV_FIFO已經以O_RDONLY開啟，因此這個dummy成功返回。
b、到客戶完成任務，關閉SERV_FIFO時，SERV_FIFO變成空，因此，伺服器在運行到read語句的時候，阻塞知道下一個客戶以O_WRONLY方式開啟SERV_FIFO為止（也就是直到有下一個使用者請求為止）

7、Dos攻擊（拒絕服務型攻擊）
有見上面的阻塞，有個攻擊方法就是說，發送一條請求，但是從來不開啟自己的FiFO，讓伺服器死等。伺服器一直阻塞，沒辦法用了。

當然，現在的伺服器都是並發性伺服器，最多隻能阻塞他的一個子進程；但是即使在這種情況下一樣可以進行Dos攻擊，方法是發送大量的請求，以至於伺服器開闢的進程達到極限，而且每個子進程都用上面的辦法來阻塞。（此時不但伺服器處理序被阻塞了，整個伺服器系統都被阻塞了）。

8、位元組流
管道和FIFO是以位元組流的方式來傳遞資訊的，類似於TCP。那麼怎樣區分資訊的界限呢？有下面三種常用的技巧：

a、帶內特殊終止符：分隔標誌（類似與SLIP的標記）
b、顯示長度在資訊頭：像TCP協議棧實現。
c、每次串連一個記錄：像HTTP1.0協議實現。