Linux进程通信 - 无名管道与有名管道
无名管道（PIPE）和有名管道（FIFO）都是UNIX进程间通信（InterProcess Communication，简称IPC）的手段。
无名管道PIPE
管道特点
管道通常指无名管道，是IPC最古老的形式。管道有何特点？
- 半双工通信，具有固定的读端、写端（单向传输数据）；
- 管道只能在具有公共祖先的2个进程间使用，通常是父子进程；
管道的创建
管道由pipe函数创建，见pipe(2) — Linux manual page
#include <unistd.h>
/* fd返回2个文件描述符：fd[0]为读而打开；fd[1]为写而打开。fd[1]的输出是fd[0]的输入 */
int pipe(int fd[2]);
/* 提供位元选项可设置。flags=0时，pipe2同pipe。
* 常用选项：O_NONBLOCK
*/
int pipe2(int fd[2], int flags);
通过fd[0]调用read()读取数据的一端，叫读端；通过fd[1]调用write()写数据的一端进程，叫写端。
通常的创建模型：
int pipefd[2];
ret = pipe(pipefd);
fork();
管道的状态
管道用于进程间通信，也可以用于同一个进程多线程通信。
1）多进程：要实现父子进程的通信，创建管道后，需要关闭一个读端，一个写端。比如一个从父进程到子进程的管道，父进程关闭fd[0]，子进程关闭fd[1]。
2）多线程：同一进程内的通信，使用全局变量即可。原理同多进程场景，需要设置一个读端、一个写端。
单进程半双工管道（无意义状态）
fork子进程后的半双工管道（创建后的初始状态）
父进程到子进程的管道（理想状态）
管道的使用规则
当管道的一端被关闭后，下面的规则起作用：
- 读端和写端都可以对应多个进程，但通常一个管道只有一个读进程和一个写进程；
- 当读一个写端已关闭的管道时，在所有数据都被读取后，read返回0，表示文件结束（只要还有一个写端还有进程，就不会产生文件的结束）；
- 如果写一个读端已关闭的管道，会产生信号SIGPIPE。如果忽略该信号，或者捕捉该信号从并从其处理程序返回，则write返回-1，errnor=EPIPE。
查看打开的管道文件
管道是文件的一种，/proc/PID/fd（这里PID是打开管道的进程id）下可以查看进程打开的管道文件：
$ ll /proc/2889/fd
...
管道的内存区域大小
管道内部传输的是字节流，同TCP字节流的概念。应用层程序能往TCP写入多少byte数据，取决于接收方通告的接收窗口大小和本端的拥塞窗口大小（取2者小值）。
而管道，有一个容量限制，write写管道时，最多能写的字节数 <= PIPE_BUF （内核的管道缓冲区大小）。多个进程同时写一个管道，可能造成写的字节数超过PIPE_BUF，所写数据可能会与其他进程所写数据相互交叉。
调用fcntl，pathconf或fpathconf函数，可确定PIPE_BUF的值。
int fds[2];
pipe(fds);
int fd = fds[1];
// 获取管道大小
int pipe_capacity = fcntl(fd, F_GETPIPE_SZ);
printf("old pipe_capacity = %d\n", pipe_capacity);
// 设置管道的大小
int size = 1000;
int ret = fcntl(fd, F_SETPIPE_SZ, size);
pipe_capacity = fcntl(fd, F_GETPIPE_SZ);
printf("new pipe_capacity = %d\n", pipe_capacity);
注意：fcntl + F_SETPIPE_SZ 可以设置管道大小到位于 系统page size和"/proc/sys/fs/pipe-max-size"之间的任意值，但并不会精确地等于，而是会对page size取整。
管道内存区域的大小必须在页面大小（PAGE）和上限值之间。上限值记录在/proc/sys/fs/pipe-max-size，特权用户可修改该上限值
$ cat /proc/sys/fs/pipe-max-size
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示例
创建父进程到子进程的管道，父进程通过管道向子进程传送数据。
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#define MAXLINE 80
int main() {
pid_t pid ;
int fd[2];
char buf[MAXLINE];
int ret = pipe(fd);
if (ret < 0) {
perror("pipe error\n");
exit(1);
}
pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("fork error");
exit(1);
}
else if (pid == 0) { // child
close(fd[1]);
int n = read(fd[0], buf, MAXLINE);
write(STDOUT_FILENO, buf, n);
}
else { // parent
close(fd[0]);
char *s = "hello world\n";
write(fd[1], s, strlen(s));
waitpid(pid, NULL, 0);
exit(0);
}
return 0;
}
有名管道FIFO
有名管道特点
有名管道也叫命名管道，可以解决无名管道只能适用于两个有共同祖先的进程的问题，即使两个不相关的进程也能通过FIFO交换数据。有名管道是一种文件类型，存在于文件系统中，通过stat结构的st_mode成员的编码
有名管道和无名管道本质是一样的，最大的区别是：有名管道有关联的实体文件，而无名管道没有。正因为有关联实体文件，没有亲缘关系的任意两个进程之间，可以通过有名管道进行通信。
创建FIFO文件
使用有名管道前，需要创建FIFO文件，调用mkfifo（C程序）或mkfifo命令（shell环境）
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
/* 创建fifo文件
* pathname 指定文件名（路径）
* mode 类似于open，指定FIFO文件的读写执行权利
*/
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
第二个参数指定FIFO文件读写执行权利，但真实的权限还需要按当前进程umask掩码得到：
real_mode = (mode & ~umask); // 当前进程的umask掩码，可调用umask()获取
打开FIFO文件
通过调用open打开文件，close关闭文件。
不能以O_RDWR（读、写）模式打开FIFO文件，O_RDWR模式打开FIFO文件行为未定义。
使用FIFO文件的方法是：一个进程以只读模式（O_RDONLY）打开FIFO文件，另一个进程以只写模式（O_WRONLY）打开FIFO文件。负责写入FIFO的进程的写入内容，就可以被负责读出FIFO的进程读取到，从而实现通信的目的。
O_NONBLOCK
没有指定O_NONBLOCK模式时，以O_RDONLY只读打开FIFO文件不能返回（处于阻塞状态），等写打开；同样以O_WRONLY只写打开FIFO文件也不能返回，等读打开。O_RDONLY和O_WRONLY请求同时达到FIFO文件时，两个进程的打开请求就都能返回了。
如果指定了O_NONBLOCK，读打开请求在没有写进程的时候，可以成功返回；但是没有读进程的写打开请求，返回-1（失败），errno = ENXIO。
原因：FIFO只有读取端，没有写入端，没有明显的危害，尝试读取FIFO数据的操作不会返回任何数据。相反，如果允许只存在写入端不存在读取端，那么open之后，所有向FIFO文件的写入操作，都会导致产生SIGPIPE信号，以及调用write返回EPIPE的错误。因此，在源头上堵住（open返回失败）该问题反而合理。
添加O_NONBLOCK选项标志
对于无名管道，可以通过pipe2(fd, O_NONBLOCK);来指定O_NONBLOCK选项。
如果忘记为FIFO文件设置O_NONBLOCK标志位，可以通过fcntl：
// 添加O_NONBLOCK标志位
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
flags |= O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, flags);
// 清除O_NONBLOCK标志位
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
flags &= ~O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, flags);
读写FIFO文件
同普通文件操作，通过调用read读文件，write写文件。
写文件的数据量不能超过PIPE_BUF个字节（limits.h），否则不能保证是原子的（内容连续）。多个进程同时写入，写入的内容也不会被其他进程写入内容打断。
PIPE_BUF最少512byte，对Linux是4096（一个页面大小）。
如何确认一个fd是PIPE还是FIFO？
对于一个fd或文件，如何确认是PIPE，还是FIFO？
可以使用S_ISFIFO，测试fd对应fstat结构的st_mode成员。如果结果为true，则被测fd是FIFO；如果false，则是PIPE。
如果是文件（路径），可以用stat()/lstat()，从而获取文件对应stat结构对象信息。
int fds[2];
if (pipe(fds) < 0) {
perror("pipe error");
exit(-1);
}
pid_t pid = fork();
if (pid < 0) { // error
perror("fork error");
exit(-1);
}
else if (pid == 0) { // parent
::close(fd[1]); // close write port
} else { // child
::close(fd[0]); // close read port
struct stat st;
fstat(fd[1], &st);
if (S_ISFIFO(st.st_mode)) { // test if FIFO
}
}
全双工管道socketpair
socketpair() 创建一对匿名的、相互连接的全双工套接字。
单个Unix Domain Socket IPC，参见之前这篇文章Linux 系统编程学习笔记 - socket编程
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socketpair(int domain, int type, int protocol, int sv[2]);
成功返回0；失败返回-1，errno被设置。
特点
1）这对套接字用于全双工通信，每个套接字都可以读写，不分读端还是写端，应用可以根据需要自行决定。
2）两个套接字没有命名，不涉及隐式bind调用，因此创建过程相比较socket()创建的Unix Domain Socket要简洁很多。
3）如果王其中一个套接字如fds[0]写入后，再从该套接字读取会阻塞，只能从另一个配对套接字fds[1]读取。
4）读写操作可位于同一个进程，也可以位于不同进程。因为是匿名的，因此，如果是不同进程，则要求是亲缘进程（如父子进程）。
示例：socketpair创建一对套接字，用于父子进程通信
int fds[2];
int ret = socketpair(AF_LOCAL, SOCK_STREAM, 0, fds);
if (ret < 0) {
perror("socketpair error");
exit(-1);
}
pid_t pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("fork error");
exit(-1);
}
else if (pid == 0) { // child
close(fds[1]); // close one port
char buf[128];
read(fds[0], buf, sizeof(buf));
printf("Child read: %s\n", buf);
}
else { // parent
close(fds[0]); // close one port
char buf[128];
snprintf(buf, sizeof(buf), "hello, I am parent process");
write(fds[1], buf, strlen(buf));
printf("Parent write: %s\n", buf);
}
