Linux进程间通讯之管道(pipe)、命名管道(FIFO)与信号(Signal)

 

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Unix IPC包括：管道(pipe)、命名管道(FIFO)与信号(Signal)

 

管道(pipe)

管道可用于具备亲缘关系进程间的通讯，有名管道克服了管道没有名字的限制，所以，除具备管道所具备的功能外，它还容许无亲缘关系进程间的通讯；

实现机制：

管道是由内核管理的一个缓冲区，至关于咱们放入内存中的一个纸条。管道的一端链接一个进程的输出。这个进程会向管道中放入信息。管道的另外一端链接一个进程的输入，这个进程取出被放入管道的信息。一个缓冲区不须要很大，它被设计成为环形的数据结构，以便管道能够被循环利用。当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另外一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会等待，直到另外一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。

从原理上，管道利用fork机制创建，从而让两个进程能够链接到同一个PIPE上。最开始的时候，上面的两个箭头都链接在同一个进程Process 1上(链接在Process 1上的两个箭头)。当fork复制进程的时候，会将这两个链接也复制到新的进程(Process 2)。随后，每一个进程关闭本身不须要的一个链接 (两个黑色的箭头被关闭; Process 1关闭从PIPE来的输入链接，Process 2关闭输出到PIPE的链接)，这样，剩下的红色链接就构成了如上图的PIPE。

实现细节：

在 Linux 中，管道的实现并无使用专门的数据结构，而是借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。经过将两个 file 结构指向同一个临时的 VFS 索引节点，而这个 VFS 索引节点又指向一个物理页面而实现的。以下图

有两个 file 数据结构，但它们定义文件操做例程地址是不一样的，其中一个是向管道中写入数据的例程地址，而另外一个是从管道中读出数据的例程地址。这样，用户程序的系统调用仍然是一般的文件操做，而内核却利用这种抽象机制实现了管道这一特殊操做。

 

关于管道的读写

      管道实现的源代码在fs/pipe.c中，在pipe.c中有不少函数，其中有两个函数比较重要，即管道读函数pipe_read()和管道写函数pipe_wrtie()。管道写函数经过将字节复制到 VFS 索引节点指向的物理内存而写入数据，而管道读函数则经过复制物理内存中的字节而读出数据。固然，内核必须利用必定的机制同步对管道的访问，为此，内核使用了锁、等待队列和信号。

     当写进程向管道中写入时，它利用标准的库函数write()，系统根据库函数传递的文件描述符，可找到该文件的 file 结构。file 结构中指定了用来进行写操做的函数（即写入函数）地址，因而，内核调用该函数完成写操做。写入函数在向内存中写入数据以前，必须首先检查 VFS 索引节点中的信息，同时知足以下条件时，才能进行实际的内存复制工做：

       ·内存中有足够的空间可容纳全部要写入的数据；

       ·内存没有被读程序锁定。

     若是同时知足上述条件，写入函数首先锁定内存，而后从写进程的地址空间中复制数据到内存。不然，写入进程就休眠在 VFS 索引节点的等待队列中，接下来，内核将调用调度程序，而调度程序会选择其余进程运行。写入进程实际处于可中断的等待状态，当内存中有足够的空间能够容纳写入数据，或内存被解锁时，读取进程会唤醒写入进程，这时，写入进程将接收到信号。当数据写入内存以后，内存被解锁，而全部休眠在索引节点的读取进程会被唤醒。

     管道的读取过程和写入过程相似。可是，进程能够在没有数据或内存被锁定时当即返回错误信息，而不是阻塞该进程，这依赖于文件或管道的打开模式。反之，进程能够休眠在索引节点的等待队列中等待写入进程写入数据。当全部的进程完成了管道操做以后，管道的索引节点被丢弃，而共享数据页也被释放。

Linux函数原型

#include <unistd.h>

int pipe(int filedes[2]);

filedes[0]用于读出数据，读取时必须关闭写入端，即close(filedes[1]);

filedes[1]用于写入数据，写入时必须关闭读取端，即close(filedes[0])。

程序实例：

int main(void)
{
    int n;
    int fd[2];
    pid_t pid;
    char line[MAXLINE];
   
    if(pipe(fd)  0){                 /* 先创建管道获得一对文件描述符 */
        exit(0);
    }

    if((pid = fork())  0)            /* 父进程把文件描述符复制给子进程 */
        exit(1);
    else if(pid > 0){                /* 父进程写 */
        close(fd[0]);                /* 关闭读描述符 */
        write(fd[1], "\nhello world\n", 14);
    }
    else{                            /* 子进程读 */
        close(fd[1]);                /* 关闭写端 */
        n = read(fd[0], line, MAXLINE);
        write(STDOUT_FILENO, line, n);
    }

    exit(0);
}

 

命名管道(named PIPE)

因为基于fork机制，因此管道只能用于父进程和子进程之间，或者拥有相同祖先的两个子进程之间 (有亲缘关系的进程之间)。为了解决这一问题，Linux提供了FIFO方式链接进程。FIFO又叫作命名管道(named PIPE)。

FIFO (First in, First out)为一种特殊的文件类型，它在文件系统中有对应的路径。当一个进程以读(r)的方式打开该文件，而另外一个进程以写(w)的方式打开该文件，那么内核就会在这两个进程之间创建管道，因此FIFO实际上也由内核管理，不与硬盘打交道。之因此叫FIFO，是由于管道本质上是一个先进先出的队列数据结构，最先放入的数据被最早读出来，从而保证信息交流的顺序。FIFO只是借用了文件系统(file system,命名管道是一种特殊类型的文件，由于Linux中全部事物都是文件，它在文件系统中以文件名的形式存在。)来为管道命名。写模式的进程向FIFO文件中写入，而读模式的进程从FIFO文件中读出。当删除FIFO文件时，管道链接也随之消失。FIFO的好处在于咱们能够经过文件的路径来识别管道，从而让没有亲缘关系的进程之间创建链接

函数原型：

#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是被建立的文件名称，mode表示将在该文件上设置的权限位和将被建立的文件类型(在此状况下为S_IFIFO)，dev是当建立设备特殊文件时使用的一个值。所以，对于先进先出文件它的值为0。