【Linux 應用編程】進程管理 - 進程間通訊IPC之管道 pipe 和 FIFO

IPC（InterProcess Communication，進程間通訊）是進程中的重要概念。Linux 進程之間經常使用的通訊方式有：

• 文件：簡單，低效，須要代碼控制同步
• 管道：使用簡單，默認阻塞
  • 匿名管道 pipe：只存在於內核緩衝區，只能用於有血緣關係的進程
  • 有名管道 FIFO：在文件系統中存在，可用於無血緣關係的進程
• 信號量：使用複雜，但開銷小，操做系統自己支持信號量
• 內存映射區 mmap：進程有無血緣關係均可以
• 本地套接字 socket：穩定可靠

管道概念

經過管道，能夠把一個進程的輸出做爲另外一個進程的輸入。管道分爲兩種：

• 匿名管道：主要用於兩個進程間有父子關係的進程間通訊
• 命名管道：主要用於沒有父子關係的進程間通訊

一般用的管道，都是匿名管道。管道其實是一塊內核緩衝區，不佔用磁盤空間，但操做方式跟文件是同樣的。

在 Linux 的命令行終端中，管道是再經常使用不過的命令技巧了。經過管道能夠把前一個命令的輸出做爲後一個命令的輸入。在 Linux 命令中一般經過符號 | 來使用管道。

例如，查看全部的進程，而後按關鍵字過濾：

ps aux | grep mysql

匿名管道

匿名管道是不能在文件系統中以任何方式看到的半雙工管道，不佔磁盤空間。管道的特色有：

• 一端只讀或只寫。讀端、寫端分別是一個文件描述符
• 操做管道的進程退出後，管道自動釋放
• 管道默認是阻塞的
• 半雙工，數據在管道內只能單向傳輸

匿名管道沒法判斷消息是否被讀完，一般僅用於父進程向子進程傳遞數據，或子進程向父進程傳遞數據。此時能夠在父子進程中關閉不用的讀或寫端。

管道是基於環形隊列這個數據結構實現的，數據先進先出。默認的緩衝區大小是 4 KB，大小會自動調整。

• 單工：數據單向流動，例如遙控器
• 雙工：數據能夠同時雙向流動，例如手機
• 半雙工：數據能夠雙向流動，但不可同時雙向流動，例如對講機

pipe 函數

pipe() 函數用於建立匿名管道。.

函數原型：

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

參數：返回文件描述符數組，對應管道的兩端，往寫端寫的數據會被內核緩存起來，直到讀端將數據讀完。其中：

• pipefd[0]：讀端
• pipefd[1]：寫端

返回值：成功返回 0，不然返回-1。

示例：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int fd[2];
    int ret, pid;
    char buf;
    ret = pipe(fd);
    if (ret == -1)
    {
        perror("pipe error");
        exit(1);
    }

    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        close(fd[1]);
        while(read(fd[0], &buf, 1) > 0)
        {
	        // 兩種方式均可以實現輸出
            printf("%c\n", buf);
            write(STDOUT_FILENO, &buf, 1);
        }
        close(fd[0]);
    } 
    else if (pid > 0)
    {
        close(fd[0]);
        write(fd[1], "hello world", 12);
        close(fd[1]);
        wait(NULL);
    } 
    else
    {
        perror("fork error");
        exit(1);
    }

    close(fd[0]);
    close(fd[1]);
    return 0;
}

命名管道

命名管道也叫 FIFO 文件，在文件系統中以文件名的形式存在，大小爲0。匿名管道沒法在無關進程之間通訊，但 FIFO 能夠藉助文件系統中的文件，使得同一主機內的全部的進程均可以通訊。

進程經過 FIFO 通訊時，首先要打開管道文件，而後使用 read 、write 函數通訊。

mkfifo 函數

函數原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

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

參數：

• pathname：指定文件名
• mode：指定文件的讀寫權限

返回值：
函數成功返回 0，不然返回-1 並設置 errno，常見 errno 有：

• EACCES：pathname 所在的目錄不容許執行權限
• EEXIST：pathname 已經存在
• ENOENT：目錄部分不存在
• ENOTDIR：目錄部分不一個目錄
• EROFS：路徑指向一個只讀的文件系統

示例：
建立兩個進程，一個將文件內容讀到 FIFO，另外一個從 FIFO 讀內容寫到另外一個文件。
寫 FIFO 的文件示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#define BUFSIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]){
    int ret;
    int datafd, fifofd;
    int bytes;
    char buffer[BUFSIZE];
    const char *fifoname = "/tmp/fifo";

    if (argc != 2) {
        printf("please input filename\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (access(fifoname, F_OK) < 0) {
        ret = mkfifo(fifoname, 0777);
        if (ret < 0) {
            perror("mkfifo error");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }
    fifofd = open(fifoname, O_WRONLY);
    datafd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fifofd < 0) {
        perror("open fifo error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (datafd < 0) {
        perror("open file error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    bytes = read(datafd, buffer, BUFSIZE);
    while (bytes > 0) {
        ret = write(fifofd, buffer, bytes);
        if (ret < 0) {
            perror("write fifo error");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        bytes = read(datafd, buffer, BUFSIZE);
    }
    close(fifofd);
    close(datafd);
    return 0;
}

讀 FIFO 的文件示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#define BUFSIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]) {
    char *fifoname = "/tmp/fifo";
    int fifofd, datafd;
    int bytes, ret;
    char buffer[BUFSIZE];

    if (argc != 2) {
        printf("please input a filename");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    fifofd = open(fifoname, O_RDONLY);
    datafd = open(argv[1], O_WRONLY);
    if (fifofd < 0) {
        perror("open fifo error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (datafd < 0) {
        perror("open file error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    bytes = read(fifofd, buffer, BUFSIZE);
    while(bytes > 0) {
        ret = write(datafd, buffer, bytes);
        if (ret < 0) {
            perror("write file error");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        bytes = read(fifofd, buffer, BUFSIZE);
    }
    close(datafd);
    close(fifofd);
    return 0;
}