Linux進程間通訊之管道(pipe)、命名管道(FIFO)與信號(Signal)

 

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Unix IPC包括：管道(pipe)、命名管道(FIFO)與信號(Signal)

 

管道(pipe)

管道可用於具備親緣關係進程間的通訊，有名管道克服了管道沒有名字的限制，所以，除具備管道所具備的功能外，它還容許無親緣關係進程間的通訊；

實現機制：

管道是由內核管理的一個緩衝區，至關於咱們放入內存中的一個紙條。管道的一端鏈接一個進程的輸出。這個進程會向管道中放入信息。管道的另外一端鏈接一個進程的輸入，這個進程取出被放入管道的信息。一個緩衝區不須要很大，它被設計成爲環形的數據結構，以便管道能夠被循環利用。當管道中沒有信息的話，從管道中讀取的進程會等待，直到另外一端的進程放入信息。當管道被放滿信息的時候，嘗試放入信息的進程會等待，直到另外一端的進程取出信息。當兩個進程都終結的時候，管道也自動消失。

從原理上，管道利用fork機制創建，從而讓兩個進程能夠鏈接到同一個PIPE上。最開始的時候，上面的兩個箭頭都鏈接在同一個進程Process 1上(鏈接在Process 1上的兩個箭頭)。當fork複製進程的時候，會將這兩個鏈接也複製到新的進程(Process 2)。隨後，每一個進程關閉本身不須要的一個鏈接 (兩個黑色的箭頭被關閉; Process 1關閉從PIPE來的輸入鏈接，Process 2關閉輸出到PIPE的鏈接)，這樣，剩下的紅色鏈接就構成了如上圖的PIPE。

實現細節：

在 Linux 中，管道的實現並無使用專門的數據結構，而是藉助了文件系統的file結構和VFS的索引節點inode。經過將兩個 file 結構指向同一個臨時的 VFS 索引節點，而這個 VFS 索引節點又指向一個物理頁面而實現的。以下圖

有兩個 file 數據結構，但它們定義文件操做例程地址是不一樣的，其中一個是向管道中寫入數據的例程地址，而另外一個是從管道中讀出數據的例程地址。這樣，用戶程序的系統調用仍然是一般的文件操做，而內核卻利用這種抽象機制實現了管道這一特殊操做。

 

關於管道的讀寫

      管道實現的源代碼在fs/pipe.c中，在pipe.c中有不少函數，其中有兩個函數比較重要，即管道讀函數pipe_read()和管道寫函數pipe_wrtie()。管道寫函數經過將字節複製到 VFS 索引節點指向的物理內存而寫入數據，而管道讀函數則經過複製物理內存中的字節而讀出數據。固然，內核必須利用必定的機制同步對管道的訪問，爲此，內核使用了鎖、等待隊列和信號。

     當寫進程向管道中寫入時，它利用標準的庫函數write()，系統根據庫函數傳遞的文件描述符，可找到該文件的 file 結構。file 結構中指定了用來進行寫操做的函數（即寫入函數）地址，因而，內核調用該函數完成寫操做。寫入函數在向內存中寫入數據以前，必須首先檢查 VFS 索引節點中的信息，同時知足以下條件時，才能進行實際的內存複製工做：

       ·內存中有足夠的空間可容納全部要寫入的數據；

       ·內存沒有被讀程序鎖定。

     若是同時知足上述條件，寫入函數首先鎖定內存，而後從寫進程的地址空間中複製數據到內存。不然，寫入進程就休眠在 VFS 索引節點的等待隊列中，接下來，內核將調用調度程序，而調度程序會選擇其餘進程運行。寫入進程實際處於可中斷的等待狀態，當內存中有足夠的空間能夠容納寫入數據，或內存被解鎖時，讀取進程會喚醒寫入進程，這時，寫入進程將接收到信號。當數據寫入內存以後，內存被解鎖，而全部休眠在索引節點的讀取進程會被喚醒。

     管道的讀取過程和寫入過程相似。可是，進程能夠在沒有數據或內存被鎖定時當即返回錯誤信息，而不是阻塞該進程，這依賴於文件或管道的打開模式。反之，進程能夠休眠在索引節點的等待隊列中等待寫入進程寫入數據。當全部的進程完成了管道操做以後，管道的索引節點被丟棄，而共享數據頁也被釋放。

Linux函數原型

#include <unistd.h>

int pipe(int filedes[2]);

filedes[0]用於讀出數據，讀取時必須關閉寫入端，即close(filedes[1]);

filedes[1]用於寫入數據，寫入時必須關閉讀取端，即close(filedes[0])。

程序實例：

int main(void)
{
    int n;
    int fd[2];
    pid_t pid;
    char line[MAXLINE];
   
    if(pipe(fd)  0){                 /* 先創建管道獲得一對文件描述符 */
        exit(0);
    }

    if((pid = fork())  0)            /* 父進程把文件描述符複製給子進程 */
        exit(1);
    else if(pid > 0){                /* 父進程寫 */
        close(fd[0]);                /* 關閉讀描述符 */
        write(fd[1], "\nhello world\n", 14);
    }
    else{                            /* 子進程讀 */
        close(fd[1]);                /* 關閉寫端 */
        n = read(fd[0], line, MAXLINE);
        write(STDOUT_FILENO, line, n);
    }

    exit(0);
}

 

命名管道(named PIPE)

因爲基於fork機制，因此管道只能用於父進程和子進程之間，或者擁有相同祖先的兩個子進程之間 (有親緣關係的進程之間)。爲了解決這一問題，Linux提供了FIFO方式鏈接進程。FIFO又叫作命名管道(named PIPE)。

FIFO (First in, First out)爲一種特殊的文件類型，它在文件系統中有對應的路徑。當一個進程以讀(r)的方式打開該文件，而另外一個進程以寫(w)的方式打開該文件，那麼內核就會在這兩個進程之間創建管道，因此FIFO實際上也由內核管理，不與硬盤打交道。之因此叫FIFO，是由於管道本質上是一個先進先出的隊列數據結構，最先放入的數據被最早讀出來，從而保證信息交流的順序。FIFO只是借用了文件系統(file system,命名管道是一種特殊類型的文件，由於Linux中全部事物都是文件，它在文件系統中以文件名的形式存在。)來爲管道命名。寫模式的進程向FIFO文件中寫入，而讀模式的進程從FIFO文件中讀出。當刪除FIFO文件時，管道鏈接也隨之消失。FIFO的好處在於咱們能夠經過文件的路徑來識別管道，從而讓沒有親緣關係的進程之間創建鏈接

函數原型：

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

int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);
int mknode(const char *filename, mode_t mode | S_IFIFO, (dev_t) 0 );

其中pathname是被建立的文件名稱，mode表示將在該文件上設置的權限位和將被建立的文件類型(在此狀況下爲S_IFIFO)，dev是當建立設備特殊文件時使用的一個值。所以，對於先進先出文件它的值爲0。