【Linux系统编程】进程间通信--有名管道

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。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：

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。


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：


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：


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：RDONLY|O_NONBLOCK);

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;
}