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linux管道

首席吹牛官
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发布于 2015/05/22 12:56
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管道是单向的字节流,它将某个进程的标准输出连接到另一个进程的标准输入。管道和有名管道是最早的进程间通信机制之一,管道可用于具有亲缘关系进程间的通信,有名管道克服了管道没有名字的限制,因此,除具有管道所具有的功能外,它还允许无亲缘关系进程间的通信。管道和有名管道的读写规则是在程序中应用它们的关键。  

管道相关的概念

   在linux中管道是通过指向同一个临时的VFS inode的两个file数据结构来实现的,此VFSinode指向内存中的同一个物理页面。这就隐藏了读写管道和读写普通文件的差别。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,需要建立起两个管道;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);
管道对于管道两端的进程而言,就是一个文件,但它不是普通的文件,它不属于某种文件系统,单独构成一种文件系统,并且只存在与内存中。数据的读出和写入:一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾,并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

管道的创建:
 #include
int pipe(int fd[2])
该函数创建的管道的两端处于一个进程中间,在实际应用中没有太大意义,因此,一个进程在由pipe()创建管道后,一般再fork一个子进程,然后通过管道实现父子进程间的通信(因此也不难推出,只要两个进程中存在亲缘关系,这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先,都可以采用管道方式来进行通信)。

管道的读规则:

管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述,需要注意的是,管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读,由描述字fd[0]表示,称其为管道读端;另一端则只能用于写,由描述字fd[1]来表示,称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据,或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道,如close、read、write等等。
从管道中读取数据:如果管道的写端不存在,则认为已经读到了数据的末尾,读函数返回的读出字节数为0;当管道的写端存在时,如果请求的字节数目大于PIPE_BUF,则返回管道中现有的数据字节数,如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF,则返回管道中现有数据字节数(此时,管道中数据量小于请求的数据量);或者返回请求的字节数(此时,管道中数据量不小于请求的数据量)。管道写端关闭后,写入的数据将一直存在,直到读出为止。

管道的写规则:

向管道中写入数据:向管道中写入数据时,Linux将不保证写入的原子性,管道缓冲区一有空闲区域,写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据,那么写操作将一直阻塞。

注:只有在管道的读端存在时,向管道中写入数据才有意义。否则,向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIFPIPE信号,应用程序可以处理该信号,也可以忽略(默认动作则是应用程序终止)。对管道的写规则的验证1:写端对读端存在的依赖性
在向管道写入数据时,至少应该存在某一个进程,其中管道读端没有被关闭,否则就会出现错误(管道断裂,进程收到了SIGPIPE信号,默认动作是进程终止)对管道的写规则的验证2:Linux不保证写管道的原子性验证
写入管道的数据量大于4096字节时,缓冲区的空闲空间将被写入数据(补齐),直到写完所有数据为止,如果没有进程读数据,则一直阻塞。

管道的局限性 
只支持单向数据流;
只能用于具有亲缘关系的进程之间;
没有名字;
管道的缓冲区是有限的(管道制存在于内存中,在管道创建时,为缓冲区分配一个页面大小);
管道所传送的是无格式字节流,这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式,比如多少字节算作一个消息(或命令、或记录)等等。

有名管道相概念 FIFO

   从名字就可以看出来它是支持先进先出的原则的。管道应用的一个重大限制是它没有名字,因此,只能用于具有亲缘关系的进程间通信,在有名管道(namedpipe或FIFO)提出后,该限制得到了克服。FIFO不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联,以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样,即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程,只要可以访问该路径,就能够彼此通过FIFO相互通信(能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间),因此,通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值得注意的是,FIFO严格遵循先进先出(firstin firstout),对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据,对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。

有名管道的创建

#include
#include
int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode)

该函数的第一个参数是一个普通的路径名,也就是创建后FIFO的名字。第二个参数与打开普通文件的open()函数中的mode参数相同。如果mkfifo的第一个参数是一个已经存在的路径名时,会返回EEXIST错误,所以一般典型的调用代码首先会检查是否返回该错误,如果确实返回该错误,那么只要调用打开FIFO的函数就可以了。一般文件的I/O函数都可以用于FIFO,如close、read、write等等。

FIFO的打开规则:

有名管道比管道多了一个打开操作:open。如果当前打开操作是为读而打开FIFO时,若已经有相应进程为写而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回;否则,可能阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志);或者,成功返回(当前打开操作没有设置阻塞标志)。
如果当前打开操作是为写而打开FIFO时,如果已经有相应进程为读而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回;否则,可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志);或者,返回ENXIO错误(当前打开操作没有设置阻塞标志)。对打开规则的验证参见附2。

有名管道的读规则 
   约定:如果一个进程为了从FIFO中读取数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的读操作为设置了阻塞标志的读操作。
如果有进程写打开FIFO,且当前FIFO内没有数据,则对于设置了阻塞标志的读操作来说,将一直阻塞。对于没有设置阻塞标志读操作来说则返回-1,当前errno值为EAGAIN,提醒以后再试。
   对于设置了阻塞标志的读操作说,造成阻塞的原因有两种:当前FIFO内有数据,但有其它进程在读这些数据;另外就是FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入,不论信写入数据量的大小,也不论读操作请求多少数据量。
   读打开的阻塞标志只对本进程第一个读操作施加作用,如果本进程内有多个读操作序列,则在第一个读操作被唤醒并完成读操作后,其它将要执行的读操作将不再阻塞,即使在执行读操作时,FIFO中没有数据也一样(此时,读操作返回0)。如果没有进程写打开FIFO,则设置了阻塞标志的读操作会阻塞。
   注:如果FIFO中有数据,则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞,此时,读操作会返回FIFO中现有的数据量。

有名管道的写规则 

   约定:如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的写操作为设置了阻塞标志的写操作。对于设置了阻塞标志的写操作:当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,Linux将保证写入的原子性。如果此时管道空闲缓冲区不足以容纳要写入的字节数,则进入睡眠,直到当缓冲区中能够容纳要写入的字节数时,才开始进行一次性写操作。
   当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,Linux将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空闲区域,写进程就会试图向管道写入数据,写操作在写完所有请求写的数据后返回。
对于没有设置阻塞标志的写操作:

   当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,Linux将不再保证写入的原子性。在写满所有FIFO空闲缓冲区后,写操作返回。

   当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,Linux将保证写入的原子性。如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数,写完后成功返回;如果当前FIFO空闲缓冲区不能够容纳请求写入的字节数,则返回EAGAIN错误,提醒以后再写。

小结:

   管道常用于两个方面:(1)在shell中时常会用到管道(作为输入输入的重定向),在这种应用方式下,管道的创建对于用户来说是透明的;(2)用于具有亲缘关系的进程间通信,用户自己创建管道,并完成读写操作。

   FIFO可以说是管道的推广,克服了管道无名字的限制,使得无亲缘关系的进程同样可以采用先进先出的通信机制进行通信。管道和FIFO的数据是字节流,应用程序之间必须事先确定特定的传输"协议",采用传播具有特定意义的消息。要灵活应用管道及FIFO,理解它们的读写规则是关键。


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