Linux系統(tǒng)下的管道及有名管道具體介紹
首先學(xué)習(xí)啦小編在本文介紹了 linux 進(jìn)程間通信的幾種主要手段。其中管道和有名管道是最早的進(jìn)程間通信機(jī)制之一,管道可用于具有親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信,有名管道克服了管道沒有名字的限制,因此,除具有管道所具有的功能外,它還允許無親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信。 認(rèn)清管道和有名管道的讀寫規(guī)則是在程序中應(yīng)用它們的關(guān)鍵,本文在詳細(xì)討論了管道和有名管道的通信機(jī)制的基礎(chǔ)上,用實(shí)例對(duì)其讀寫規(guī)則進(jìn)行了程序驗(yàn)證,這樣做有利于增強(qiáng)讀者對(duì)讀寫規(guī)則的感性認(rèn)識(shí),同時(shí)也提供了應(yīng)用范例。那么下面就由小編具體介紹下管道及有名管道。
管道及有名管道一、管道概述及相關(guān)API應(yīng)用
1.1 管道相關(guān)的關(guān)鍵概念
管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一,具有以下特點(diǎn):
管道是半雙工的,數(shù)據(jù)只能向一個(gè)方向流動(dòng);需要雙方通信時(shí),需要建立起兩個(gè)管道;
只能用于父子進(jìn)程或者兄弟進(jìn)程之間(具有親緣關(guān)系的進(jìn)程);
單獨(dú)構(gòu)成一種獨(dú)立的文件系統(tǒng):管道對(duì)于管道兩端的進(jìn)程而言,就是一個(gè)文件,但它不是普通的文件,它不屬于某種文件系統(tǒng),而是自立門戶,單獨(dú)構(gòu)成一種文件系統(tǒng),并且只存在與內(nèi)存中。
數(shù)據(jù)的讀出和寫入:一個(gè)進(jìn)程向管道中寫的內(nèi)容被管道另一端的進(jìn)程讀出。寫入的內(nèi)容每次都添加在管道緩沖區(qū)的末尾,并且每次都是從緩沖區(qū)的頭部讀出數(shù)據(jù)。
1.2管道的創(chuàng)建:
#include int pipe(int fd[2])
該函數(shù)創(chuàng)建的管道的兩端處于一個(gè)進(jìn)程中間,在實(shí)際應(yīng)用中沒有太大意義,因此,一個(gè)進(jìn)程在由pipe()創(chuàng)建管道后,一般再fork一個(gè)子進(jìn)程,然后通過管道實(shí)現(xiàn)父子進(jìn)程間的通信(因此也不難推出,只要兩個(gè)進(jìn)程中存在親緣關(guān)系,這里的親緣關(guān)系指的是具有共同的祖先,都可以采用管道方式來進(jìn)行通信)。
1.3管道的讀寫規(guī)則:
管道兩端可分別用描述字fd[0]以及fd[1]來描述,需要注意的是,管道的兩端是固定了任務(wù)的。即一端只能用于讀,由描述字fd[0]表示,稱其為管道讀端;另一端則只能用于寫,由描述字fd[1]來表示,稱其為管道寫端。如果試圖從管道寫端讀取數(shù)據(jù),或者向管道讀端寫入數(shù)據(jù)都將導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生。一般文件的I/O函數(shù)都可以用于管道,如close、read、write等等。
從管道中讀取數(shù)據(jù):
如果管道的寫端不存在,則認(rèn)為已經(jīng)讀到了數(shù)據(jù)的末尾,讀函數(shù)返回的讀出字節(jié)數(shù)為0;
當(dāng)管道的寫端存在時(shí),如果請求的字節(jié)數(shù)目大于PIPE_BUF,則返回管道中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),如果請求的字節(jié)數(shù)目不大于PIPE_BUF,則返回管道中現(xiàn)有數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)(此時(shí),管道中數(shù)據(jù)量小于請求的數(shù)據(jù)量);或者返回請求的字節(jié)數(shù)(此時(shí),管道中數(shù)據(jù)量不小于請求的數(shù)據(jù)量)。注:(PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定義,不同的內(nèi)核版本可能會(huì)有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少為512字節(jié),red hat 7.2中為4096)。
關(guān)于管道的讀規(guī)則驗(yàn)證:
/************** * readtest.c * **************/#include #include
向管道中寫入數(shù)據(jù):
向管道中寫入數(shù)據(jù)時(shí),linux將不保證寫入的原子性,管道緩沖區(qū)一有空閑區(qū)域,寫進(jìn)程就會(huì)試圖向管道寫入數(shù)據(jù)。如果讀進(jìn)程不讀走管道緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),那么寫操作將一直阻塞。
注:只有在管道的讀端存在時(shí),向管道中寫入數(shù)據(jù)才有意義。否則,向管道中寫入數(shù)據(jù)的進(jìn)程將收到內(nèi)核傳來的SIFPIPE信號(hào),應(yīng)用程序可以處理該信號(hào),也可以忽略(默認(rèn)動(dòng)作則是應(yīng)用程序終止)。
對(duì)管道的寫規(guī)則的驗(yàn)證1:寫端對(duì)讀端存在的依賴性
#include #include main(){ int pipe_fd[2]; pid_t
則輸出結(jié)果為: Broken pipe,原因就是該管道以及它的所有fork()產(chǎn)物的讀端都已經(jīng)被關(guān)閉。如果在父進(jìn)程中保留讀端,即在寫完pipe后,再關(guān)閉父進(jìn)程的讀端,也會(huì)正常寫入pipe,讀者可自己驗(yàn)證一下該結(jié)論。因此,在向管道寫入數(shù)據(jù)時(shí),至少應(yīng)該存在某一個(gè)進(jìn)程,其中管道讀端沒有被關(guān)閉,否則就會(huì)出現(xiàn)上述錯(cuò)誤(管道斷裂,進(jìn)程收到了SIGPIPE信號(hào),默認(rèn)動(dòng)作是進(jìn)程終止)
對(duì)管道的寫規(guī)則的驗(yàn)證2:linux不保證寫管道的原子性驗(yàn)證
#include #include #include main(int argc
結(jié)論:
寫入數(shù)目小于4096時(shí)寫入是非原子的!
如果把父進(jìn)程中的兩次寫入字節(jié)數(shù)都改為5000,則很容易得出下面結(jié)論:
寫入管道的數(shù)據(jù)量大于4096字節(jié)時(shí),緩沖區(qū)的空閑空間將被寫入數(shù)據(jù)(補(bǔ)齊),直到寫完所有數(shù)據(jù)為止,如果沒有進(jìn)程讀數(shù)據(jù),則一直阻塞。
1.4管道應(yīng)用實(shí)例:
實(shí)例一:用于shell
管道可用于輸入輸出重定向,它將一個(gè)命令的輸出直接定向到另一個(gè)命令的輸入。比如,當(dāng)在某個(gè)shell程序(Bourne shell或C shell等)鍵入who│wc -l后,相應(yīng)shell程序?qū)?chuàng)建who以及wc兩個(gè)進(jìn)程和這兩個(gè)進(jìn)程間的管道??紤]下面的命令行:
$kill -l 運(yùn)行結(jié)果見附一。
$kill -l | grep SIGRTMIN 運(yùn)行結(jié)果如下:
30) SIGPWR 31) SIGSYS 32) SIGRTMIN 33) SIGRTMIN+134) SIGRTMIN+2 35) SIGRTMIN
實(shí)例二:用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間通信
下面例子給出了管道的具體應(yīng)用,父進(jìn)程通過管道發(fā)送一些命令給子進(jìn)程,子進(jìn)程解析命令,并根據(jù)命令作相應(yīng)處理。
#include #include main(){ int pipe_fd[2]; pid_t
1.5管道的局限性
管道的主要局限性正體現(xiàn)在它的特點(diǎn)上:
只支持單向數(shù)據(jù)流;
只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間;
沒有名字;
管道的緩沖區(qū)是有限的(管道制存在于內(nèi)存中,在管道創(chuàng)建時(shí),為緩沖區(qū)分配一個(gè)頁面大小);
管道所傳送的是無格式字節(jié)流,這就要求管道的讀出方和寫入方必須事先約定好數(shù)據(jù)的格式,比如多少字節(jié)算作一個(gè)消息(或命令、或記錄)等等;
管道及有名管道2、 有名管道概述及相關(guān)API應(yīng)用
2.1 有名管道相關(guān)的關(guān)鍵概念
管道應(yīng)用的一個(gè)重大限制是它沒有名字,因此,只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間通信,在有名管道(named pipe或FIFO)提出后,該限制得到了克服。FIFO不同于管道之處在于它提供一個(gè)路徑名與之關(guān)聯(lián),以FIFO的文件形式存在于文件系統(tǒng)中。這樣,即使與FIFO的創(chuàng)建進(jìn)程不存在親緣關(guān)系的進(jìn)程,只要可以訪問該路徑,就能夠彼此通過FIFO相互通信(能夠訪問該路徑的進(jìn)程以及FIFO的創(chuàng)建進(jìn)程之間),因此,通過FIFO不相關(guān)的進(jìn)程也能交換數(shù)據(jù)。值得注意的是,F(xiàn)IFO嚴(yán)格遵循先進(jìn)先出(first in first out),對(duì)管道及FIFO的讀總是從開始處返回?cái)?shù)據(jù),對(duì)它們的寫則把數(shù)據(jù)添加到末尾。它們不支持諸如lseek()等文件定位操作。
2.2有名管道的創(chuàng)建
#include #include int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode)
該函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)是一個(gè)普通的路徑名,也就是創(chuàng)建后FIFO的名字。第二個(gè)參數(shù)與打開普通文件的open()函數(shù)中的mode 參數(shù)相同。如果mkfifo的第一個(gè)參數(shù)是一個(gè)已經(jīng)存在的路徑名時(shí),會(huì)返回EEXIST錯(cuò)誤,所以一般典型的調(diào)用代碼首先會(huì)檢查是否返回該錯(cuò)誤,如果確實(shí)返回該錯(cuò)誤,那么只要調(diào)用打開FIFO的函數(shù)就可以了。一般文件的I/O函數(shù)都可以用于FIFO,如close、read、write等等。
2.3有名管道的打開規(guī)則
有名管道比管道多了一個(gè)打開操作:open。
FIFO的打開規(guī)則:
如果當(dāng)前打開操作是為讀而打開FIFO時(shí),若已經(jīng)有相應(yīng)進(jìn)程為寫而打開該FIFO,則當(dāng)前打開操作將成功返回;否則,可能阻塞直到有相應(yīng)進(jìn)程為寫而打開該FIFO(當(dāng)前打開操作設(shè)置了阻塞標(biāo)志);或者,成功返回(當(dāng)前打開操作沒有設(shè)置阻塞標(biāo)志)。
如果當(dāng)前打開操作是為寫而打開FIFO時(shí),如果已經(jīng)有相應(yīng)進(jìn)程為讀而打開該FIFO,則當(dāng)前打開操作將成功返回;否則,可能阻塞直到有相應(yīng)進(jìn)程為讀而打開該FIFO(當(dāng)前打開操作設(shè)置了阻塞標(biāo)志);或者,返回ENXIO錯(cuò)誤(當(dāng)前打開操作沒有設(shè)置阻塞標(biāo)志)。
對(duì)打開規(guī)則的驗(yàn)證參見附2。
2.4有名管道的讀寫規(guī)則
從FIFO中讀取數(shù)據(jù):
約定:如果一個(gè)進(jìn)程為了從FIFO中讀取數(shù)據(jù)而阻塞打開FIFO,那么稱該進(jìn)程內(nèi)的讀操作為設(shè)置了阻塞標(biāo)志的讀操作。
如果有進(jìn)程寫打開FIFO,且當(dāng)前FIFO內(nèi)沒有數(shù)據(jù),則對(duì)于設(shè)置了阻塞標(biāo)志的讀操作來說,將一直阻塞。對(duì)于沒有設(shè)置阻塞標(biāo)志讀操作來說則返回-1,當(dāng)前errno值為EAGAIN,提醒以后再試。
對(duì)于設(shè)置了阻塞標(biāo)志的讀操作說,造成阻塞的原因有兩種:當(dāng)前FIFO內(nèi)有數(shù)據(jù),但有其它進(jìn)程在讀這些數(shù)據(jù);另外就是FIFO內(nèi)沒有數(shù)據(jù)。解阻塞的原因則是FIFO中有新的數(shù)據(jù)寫入,不論信寫入數(shù)據(jù)量的大小,也不論讀操作請求多少數(shù)據(jù)量。
讀打開的阻塞標(biāo)志只對(duì)本進(jìn)程第一個(gè)讀操作施加作用,如果本進(jìn)程內(nèi)有多個(gè)讀操作序列,則在第一個(gè)讀操作被喚醒并完成讀操作后,其它將要執(zhí)行的讀操作將不再阻塞,即使在執(zhí)行讀操作時(shí),F(xiàn)IFO中沒有數(shù)據(jù)也一樣(此時(shí),讀操作返回0)。
如果沒有進(jìn)程寫打開FIFO,則設(shè)置了阻塞標(biāo)志的讀操作會(huì)阻塞。
注:如果FIFO中有數(shù)據(jù),則設(shè)置了阻塞標(biāo)志的讀操作不會(huì)因?yàn)镕IFO中的字節(jié)數(shù)小于請求讀的字節(jié)數(shù)而阻塞,此時(shí),讀操作會(huì)返回FIFO中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)量。
向FIFO中寫入數(shù)據(jù):
約定:如果一個(gè)進(jìn)程為了向FIFO中寫入數(shù)據(jù)而阻塞打開FIFO,那么稱該進(jìn)程內(nèi)的寫操作為設(shè)置了阻塞標(biāo)志的寫操作。
對(duì)于設(shè)置了阻塞標(biāo)志的寫操作:
當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)量不大于PIPE_BUF時(shí),linux將保證寫入的原子性。如果此時(shí)管道空閑緩沖區(qū)不足以容納要寫入的字節(jié)數(shù),則進(jìn)入睡眠,直到當(dāng)緩沖區(qū)中能夠容納要寫入的字節(jié)數(shù)時(shí),才開始進(jìn)行一次性寫操作。
當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)量大于PIPE_BUF時(shí),linux將不再保證寫入的原子性。FIFO緩沖區(qū)一有空閑區(qū)域,寫進(jìn)程就會(huì)試圖向管道寫入數(shù)據(jù),寫操作在寫完所有請求寫的數(shù)據(jù)后返回。
對(duì)于沒有設(shè)置阻塞標(biāo)志的寫操作:
當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)量大于PIPE_BUF時(shí),linux將不再保證寫入的原子性。在寫滿所有FIFO空閑緩沖區(qū)后,寫操作返回。
當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)量不大于PIPE_BUF時(shí),linux將保證寫入的原子性。如果當(dāng)前FIFO空閑緩沖區(qū)能夠容納請求寫入的字節(jié)數(shù),寫完后成功返回;如果當(dāng)前FIFO空閑緩沖區(qū)不能夠容納請求寫入的字節(jié)數(shù),則返回EAGAIN錯(cuò)誤,提醒以后再寫;
對(duì)FIFO讀寫規(guī)則的驗(yàn)證:
下面提供了兩個(gè)對(duì)FIFO的讀寫程序,適當(dāng)調(diào)節(jié)程序中的很少地方或者程序的命令行參數(shù)就可以對(duì)各種FIFO讀寫規(guī)則進(jìn)行驗(yàn)證。
程序1:寫FIFO的程序
#include #include #include #include
程序應(yīng)用說明:
把讀程序編譯成兩個(gè)不同版本:
阻塞讀版本:br
以及非阻塞讀版本nbr
把寫程序編譯成兩個(gè)四個(gè)版本:
非阻塞且請求寫的字節(jié)數(shù)大于PIPE_BUF版本:nbwg
非阻塞且請求寫的字節(jié)數(shù)不大于PIPE_BUF版本:版本nbw
阻塞且請求寫的字節(jié)數(shù)大于PIPE_BUF版本:bwg
阻塞且請求寫的字節(jié)數(shù)不大于PIPE_BUF版本:版本bw
下面將使用br、nbr、w代替相應(yīng)程序中的阻塞讀、非阻塞讀
驗(yàn)證阻塞寫操作:
當(dāng)請求寫入的數(shù)據(jù)量大于PIPE_BUF時(shí)的非原子性:
nbr 1000
bwg
當(dāng)請求寫入的數(shù)據(jù)量不大于PIPE_BUF時(shí)的原子性:
nbr 1000
bw
驗(yàn)證非阻塞寫操作:
當(dāng)請求寫入的數(shù)據(jù)量大于PIPE_BUF時(shí)的非原子性:
nbr 1000
nbwg
請求寫入的數(shù)據(jù)量不大于PIPE_BUF時(shí)的原子性:
nbr 1000
nbw
不管寫打開的阻塞標(biāo)志是否設(shè)置,在請求寫入的字節(jié)數(shù)大于4096時(shí),都不保證寫入的原子性。但二者有本質(zhì)區(qū)別:
對(duì)于阻塞寫來說,寫操作在寫滿FIFO的空閑區(qū)域后,會(huì)一直等待,直到寫完所有數(shù)據(jù)為止,請求寫入的數(shù)據(jù)最終都會(huì)寫入FIFO;
而非阻塞寫則在寫滿FIFO的空閑區(qū)域后,就返回(實(shí)際寫入的字節(jié)數(shù)),所以有些數(shù)據(jù)最終不能夠?qū)懭搿?/p>
對(duì)于讀操作的驗(yàn)證則比較簡單,不再討論。
2.5有名管道應(yīng)用實(shí)例
在驗(yàn)證了相應(yīng)的讀寫規(guī)則后,應(yīng)用實(shí)例似乎就沒有必要了。
最后學(xué)習(xí)啦小編的小結(jié):
管道常用于兩個(gè)方面:(1)在shell中時(shí)常會(huì)用到管道(作為輸入輸入的重定向),在這種應(yīng)用方式下,管道的創(chuàng)建對(duì)于用戶來說是透明的;(2)用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間通信,用戶自己創(chuàng)建管道,并完成讀寫操作。
FIFO可以說是管道的推廣,克服了管道無名字的限制,使得無親緣關(guān)系的進(jìn)程同樣可以采用先進(jìn)先出的通信機(jī)制進(jìn)行通信。
管道和FIFO的數(shù)據(jù)是字節(jié)流,應(yīng)用程序之間必須事先確定特定的傳輸"協(xié)議",采用傳播具有特定意義的消息。
要靈活應(yīng)用管道及FIFO,理解它們的讀寫規(guī)則是關(guān)鍵。
大家都有更好的了解到Linux系統(tǒng)下的管道及有名管道么。