管道和FIFO
- 管道（pipe）
管道在Unix及Linux进程间通信是最基础的，很容易理解。管道就像一个自来水管，一端注入水，一端放出水，水只能在一个方向上流动，而不能双向流动。管道是典型的单向通信，即计算机网络中所说的“半双工”。管道又名匿名管道，所以只能用在具有公共祖先的进程之间使用，通常使用在父子进程之间通信。通常是父进程创建一个管道，然后fork一个子进程，此后父子进程共享这个管道进行通信。
管道由pipe函数创建，函数原型如下：
#include<unistd.h>
int pipe(int fd[2]); 成功返回0，否则返回-1；参数fd返回两个文件描述符，fd[0]为读，fd[1]为写，fd[1]的输入是fd[0]的输出。即fd[0]对应读端，fd[1]对应写端。
举例说明一下管道的用法：模拟client-server通信过程，父进程模拟client，子进程模拟server。server向client发送一个字符串，client接收到输出到屏幕。
1 #include <unistd.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <stdlib.h>
4 #include <sys/types.h>
5 #include <errno.h>
6 #include <string.h>
7
8 int main()
9 {
10 int fd[2];
11 pid_t childpid;
12 char buf[100];
13
14 memset(buf,0,100);
15 //创建一个管道
16 if(pipe(fd) == -1)
17 {
18 perror("pipe() error");
19 exit(-1);
20 }
21 //创建一个子进程
22 childpid = fork();
23 if(childpid == 0)
24 {
25 printf("server input a message : ");
26 scanf("%s",buf);
27 //关闭读端
28 close(fd[0]);
29 write(fd[1],buf,strlen(buf));
30 exit(0);
31 }
32 if(childpid == -1)
33 {
34 perror("fork() error");
35 exit(-1);
36 }
37 //父进程关闭写端
38 close(fd[1]);
39 read(fd[0],buf,100);
40 printf("client read a message: %s\n",buf);
41 waitpid(childpid,NULL,0);
42 return 0;
43 }
程序执行结果如下：
上面程序的细节问题在于子进程需要关闭读端，父进程需要关闭写端。因为管道最早提出时候是单向，虽然现在有些系统提供全双工的管道。那么如何采用管道实现双向通信呢？很显然我们需要两个管道，控制两个不同的数据流向。现在有模拟一个Client和Server双向通信的过程，Client与Server之间可以相互发送和接收信息。此时需要两个管道进行模拟，管道1模拟Server写Client读数据流向，管道2模拟Client写Server读数据流向。代码如下所示：
1 #include <unistd.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <stdlib.h>
4 #include <sys/types.h>
5 #include <errno.h>
6 #include <string.h>
7
8 int main()
9 {
10 int fd1[2],fd2[2];
11 pid_t childpid;
12 char buf[100];
13
14 memset(buf,0,100);
15
16 if(pipe(fd1) == -1)
17 {
18 perror("pipe() error");
19 exit(-1);
20 }
21 if(pipe(fd2) == -1)
22 {
23 perror("pipe() error");
24 exit(-1);
25 }
26 childpid = fork();
27 if(childpid == 0)
28 {
29 printf("Server input a message : ");
30 gets(buf);
31 close(fd1[0]);
32 close(fd2[1]);
33 write(fd1[1],buf,strlen(buf));
34 read(fd2[0],buf,100);
35 printf("Server received message from client:%s\n",buf);
36 exit(0);
37 }
38 if(childpid == -1)
39 {
40 perror("fork() error");
41 exit(-1);
42 }
43 close(fd1[1]);
44 close(fd2[0]);
45 read(fd1[0],buf,100);
46 printf("Client receive a message from server: %s\n",buf);
47 printf("Client input a message : ");
48 gets(buf);
49 write(fd2[1],buf,strlen(buf));
50 waitpid(childpid,NULL,0);
51 return 0;
52 }
程序执行结果如下：
2 FIFO(first in first out)
FIFO又名有名管道，相对于上述管道而言。管道没有名字，因此只能在具有共同祖先进程的各个进程之间通信，无法在无亲缘关系的两个进程之间创建一个管道进行通信。为此有了FIFO，类似管道，也是一个单向（半双工）数据流，每个FIFO有一个路径名与之关联，从而允许无亲缘关系的进程访问同一个FIFO。FIFO有mkfifo函数创建。
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname,mode_t mode); 成功返回0，出错返回-1。pathname是一个普通的路径名，是FIFO的名字，mode指定文件的权位。
在创建FIFO后，必须打开来读或者打开来写，不能打开来既读既写（因为FIFO是半双工）。现在采用FIFO实现上面的第二个例子，代码如下：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <sys/types.h>
5 #include <sys/stat.h>
6 #include <errno.h>
7 #include <string.h>
8 #include <fcntl.h>
9
10 #define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)
11
12 #define FIFO1 "/tmp/fifo.1"
13 #define FIFO2 "/tmp/fifo.2"
14
15 int main()
16 {
17 int readfd,writefd;
18 pid_t childpid;
19 char buf[100];
20 memset(buf,0,100);
21 //创建FIFO
22 if((mkfifo(FIFO1,FILE_MODE) < 0) && (errno != EEXIST))
23 {
24 perror("mkfifo() error");
25 exit(-1);
26 }
27 if((mkfifo(FIFO2,FILE_MODE) < 0) && (errno != EEXIST))
28 {
29 unlink(FIFO1);
30 perror("mkfifo() error");
31 exit(-1);
32 }
33 //创建子进程
34 childpid = fork();
35 if(childpid == 0)
36 {
37 readfd = open(FIFO1,O_RDONLY,0);
38 writefd = open(FIFO2,O_WRONLY,0);
39 printf("Server input a message: ");
40 gets(buf);
41 write(writefd,buf,strlen(buf));
42 read(readfd,buf,100);
43 printf("Server received a message from Client: %s\n",buf);
44 exit(0);
45 }
46 if(childpid == -1)
47 {
48 perror("frok() error");
49 exit(-1);
50 }
51 //防止死锁，注意顺序
52 writefd = open(FIFO1,O_WRONLY,0);
53 readfd = open(FIFO2,O_RDONLY,0);
54 read(readfd,buf,100);
55 printf("Client received a message form Server: %s\n",buf);
56 printf("Client input a mesage: ");
57 gets(buf);
58 write(writefd,buf,strlen(buf));
59 waitpid(childpid,NULL,0);
60 close(readfd);
61 close(writefd);
62 unlink(FIFO1);
63 unlink(FIFO2);
64 return 0;
65 }
运行结果如下：
上面的程序当中父进程打开FIFO的顺序不能颠倒，否则会造成死锁。因为在当前没有任何进程打开某个FIFO来写的时候，打开该FIFO来读的进程将会阻塞。交换父进程中两个open的调用顺序后，父子进程都将打开同一个FIFO进行读，而当前没有任何进程来打开该文件进行写，于是父子进程都阻塞，造成死锁。
下面采用FIFO实现无亲缘关系的两个进程之间的通信。Client与Server是两个独立的进程。
1 //公共同文件fifo.h
2 #include <stdio.h>
3 #include <stdlib.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <sys/types.h>
6 #include <sys/stat.h>
7 #include <errno.h>
8 #include <string.h>
9 #include <fcntl.h>
10
11 #define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)
12
13 #define FIFO1 "/tmp/fifo.1"
14 #define FIFO2 "/tmp/fifo.2"
1 //server进程 server.c
2 #include "fifo.h"
3
4 int main()
5 {
6 int readfd,writefd;
7 pid_t childpid;
8 char buf[100];
9 memset(buf,0,100);
10 //创建FIFO
11 if((mkfifo(FIFO1,FILE_MODE) < 0) && (errno != EEXIST))
12 {
13 perror("mkfifo() error");
14 exit(-1);
15 }
16 if((mkfifo(FIFO2,FILE_MODE) < 0) && (errno != EEXIST))
17 {
18 unlink(FIFO1);
19 perror("mkfifo() error");
20 exit(-1);
21 }
22 readfd = open(FIFO1,O_RDONLY,0);
23 writefd = open(FIFO2,O_WRONLY,0);
24 printf("Server input a message: ");
25 gets(buf);
26 write(writefd,buf,strlen(buf));
27 read(readfd,buf,100);
28 printf("Server received a message from Client: %s\n",buf);
29 return 0;
30 }
1 //client进程 client。c
2 #include "fifo.h"
3
4 int main()
5 {
6 int readfd,writefd;
7 pid_t childpid;
8 char buf[100];
9 memset(buf,0,100);
10 //创建FIFO
11 if((mkfifo(FIFO1,FILE_MODE) < 0) && (errno != EEXIST))
12 {
13 perror("mkfifo() error");
14 exit(-1);
15 }
16 if((mkfifo(FIFO2,FILE_MODE) < 0) && (errno != EEXIST))
17 {
18 unlink(FIFO1);
19 perror("mkfifo() error");
20 exit(-1);
21 }
22
23 //防止死锁，注意顺序
24 writefd = open(FIFO1,O_WRONLY,0);
25 readfd = open(FIFO2,O_RDONLY,0);
26 read(readfd,buf,100);
27 printf("Client received a message form Server: %s\n",buf);
28 printf("Client input a mesage: ");
29 gets(buf);
30 write(writefd,buf,strlen(buf));
31 close(readfd);
32 close(writefd);
33 unlink(FIFO1);
34 unlink(FIFO2);
35 return 0;
36 }
先执行server进程，然后执行client进程：结果如下：
以上介绍了管道和FIFO的操作方法。
参考资料：
《Unix环境高级编程》
