Linux系统编程——进程间通信:命名管道(FIFO)

命名管道的概述

无名管道,由于没有名字,只能用于亲缘关系的进程间通信(更多详情,请看《无名管道》)。为了克服这个缺点,提出了命名管道(FIFO),也叫有名管道、FIFO 文件。


命名管道(FIFO)不同于无名管道之处在于它提供了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,因此,通过 FIFO 不相关的进程也能交换数据


命名管道(FIFO)和无名管道(pipe)有一些特点是相同的,不一样的地方在于:

1、FIFO 在文件系统中作为一个特殊的文件而存在,但 FIFO 中的内容却存放在内存中。

2、当使用 FIFO 的进程退出后,FIFO 文件将继续保存在文件系统中以便以后使用。

3、FIFO 有名字,不相关的进程可以通过打开命名管道进行通信。


命名管道的创建

所需头文件

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>


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

功能

命名管道的创建。

参数

pathname: 普通的路径名,也就是创建后 FIFO 的名字。

mode: 文件的权限,与打开普通文件的 open() 函数中的 mode 参数相同,相关说明请点此链接

返回值

成功:0
失败:如果文件已经存在,则会出错且返回 -1。


示例代码如下:

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

int main(int argc, char *argv[])
{
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666); // 创建命名管道
	if(ret != 0){	// 出错
		perror("mkfifo");
	}
	
	return 0;
}

运行结果如下:

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命名管道的默认操作

后期的操作,把这个命名管道当做普通文件一样进行操作:open()、write()、read()、close()。但是和无名管道一样,操作命名管道肯定要考虑默认情况下其阻塞特性


下面验证的是默认情况下的特点,即 open() 的时候没有指定非阻塞标志( O_NONBLOCK )。

1)

open() 以只读方式打开 FIFO 时,要阻塞到某个进程为写而打开此 FIFO
open() 以只写方式打开 FIFO 时,要阻塞到某个进程为读而打开此 FIFO。

简单一句话,只读等着只写,只写等着只读,只有两个都执行到,才会往下执行。


只读端代码如下:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666);
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	printf("before open\n");
	fd = open("my_fifo", O_RDONLY);//等着只写
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	
	printf("after open\n");
	
	return 0;
}

只写端代码如下

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666);
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	printf("before open\n");
	fd = open("my_fifo", O_WRONLY); //等着只读
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	
	printf("after open\n");
	
	return 0;
}

大家开启两个终端,分别编译以上代码,读端程序和写端程序各自运行,如下图,大家自行验证其特点,因为光看结果图是没有效果,大家需要分析其运行过程是如何变化。

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如果大家不想在 open() 的时候阻塞,我们可以以可读可写方式打开 FIFO 文件,这样 open() 函数就不会阻塞。

// 可读可写方式打开
int fd = open("my_fifo", O_RDWR);

2)假如 FIFO 里没有数据,调用 read() 函数从 FIFO 里读数据时 read() 也会阻塞。这个特点和无名管道是一样的。


写端代码如下:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666);//创建命名管道
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	printf("before open\n");
	fd = open("my_fifo", O_WRONLY); //等着只读
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	printf("after open\n");
	
	printf("before write\n");
	// 5s后才往命名管道写数据,没数据前,读端read()阻塞
	sleep(5);
	char send[100] = "Hello Mike";
	write(fd, send, strlen(send));
	printf("write to my_fifo buf=%s\n", send);
	
	return 0;
}

读端代码如下:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666); //创建命名管道
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	printf("before open\n");
	fd = open("my_fifo", O_RDONLY);//等着只写
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	printf("after open\n");
	
	printf("before read\n");
	char recv[100] = {0};
	
	//读数据,命名管道没数据时会阻塞,有数据时就取出来
	read(fd, recv, sizeof(recv)); 
	printf("read from my_fifo buf=[%s]\n", recv);
	
	return 0;
}

请根据下图自行编译运行验证:

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3)通信过程中若写进程先退出了,就算命名管道里没有数据,调用 read() 函数从 FIFO 里读数据时不阻塞;若写进程又重新运行,则调用 read() 函数从 FIFO 里读数据时又恢复阻塞。


写端代码如下:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666); // 创建命名管道
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	fd = open("my_fifo", O_WRONLY); // 等着只读
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	
	char send[100] = "Hello Mike";
	write(fd, send, strlen(send));	//写数据
	printf("write to my_fifo buf=%s\n",send);
	
	while(1); // 阻塞,保证读写进程保持着通信过程
	
	return 0;
}

读端代码如下:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666);// 创建命名管道
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	fd = open("my_fifo", O_RDONLY);// 等着只写
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	
	while(1)
	{
		char recv[100] = {0};
		read(fd, recv, sizeof(recv)); // 读数据
		printf("read from my_fifo buf=[%s]\n",recv);
		sleep(1);
	}
	
	return 0;
}

请根据下图自行编译运行验证:

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5)通信过程中,读进程退出后,写进程向命名管道内写数据时,写进程也会(收到 SIGPIPE 信号)退出。


6)调用 write() 函数向 FIFO 里写数据,当缓冲区已满时 write() 也会阻塞。


5)和 6)这两个特点和无名管道是一样的,这里不再验证,详情请看《无名管道》


命名管道非阻塞标志操作

命名管道可以以非阻塞标志(O_NONBLOCK)方式打开:

fd = open("my_fifo", O_WRONLY|O_NONBLOCK);
fd = open("my_fifo", O_RDONLY|O_NONBLOCK);


非阻塞标志(O_NONBLOCK)打开的命名管道有以下特点:
1、先以只读方式打开,如果没有进程已经为写而打开一个 FIFO, 只读 open() 成功,并且 open() 不阻塞。


2、先以只写方式打开,如果没有进程已经为读而打开一个 FIFO,只写 open() 将出错返回 -1。


3、read()、write() 读写命名管道中读数据时不阻塞。


请根据以下代码自行编译运行验证。


写端代码如下:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666); // 创建命名管道
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	// 只写并指定非阻塞方式打开
	fd = open("my_fifo", O_WRONLY|O_NONBLOCK);
	if(fd<0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	
	char send[100] = "Hello Mike";
	write(fd, send, strlen(send));
	printf("write to my_fifo buf=%s\n",send);
	while(1);
	
	return 0;
}

读端代码如下:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	int ret;
	
	ret = mkfifo("my_fifo", 0666); // 创建命名管道
	if(ret != 0)
	{
		perror("mkfifo");
	}
	
	// 只读并指定非阻塞方式打开
	fd = open("my_fifo", O_RDONLY|O_NONBLOCK);
	if(fd < 0)
	{
		perror("open fifo");
	}
	
	while(1)
	{
		char recv[100] = {0};

		read(fd, recv, sizeof(recv));
		printf("read from my_fifo buf=[%s]\n",recv);
		sleep(1);
	}
	
	return 0;
}

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