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2013年(23)

2012年(55)

分类: C/C++

2013-05-13 14:03:43

每个进程各自有不同的用户地址空间,任何一个进 程的全局变量在另一个进程中都看不到,所以进程之间要交换数据必须通过内核,在内核中开辟一块缓冲 区,进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区,进程2再从内核缓冲区把数据读走,内核提供的这种机制称为进程间通信(IPC,InterProcess Communication)
如下图所示:
进程间通信共七种方式:
第一类:传统的unix通信机制:
# 管道( pipe ):管道是一种半双工的通信方式,数据只能单向流动,而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。

# 有名管道 (named pipe) : 有名管道也是半双工的通信方式,但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
# 信号 ( sinal ) : 信号是一种比较复杂的通信方式,用于通知接收进程某个事件已经发生。

第二类:System V IPC: 
# 信号量( semophore ) : 信号量是一个计数器,可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制,防止某进程正在访问共享资源时,其他进程也访问该资源。因此,主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
# 消息队列( message queue ) : 消息队列是由消息的链表,存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
# 共享内存( shared memory ) :共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存,这段共享内存由一个进程创建,但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式,它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制,如信号两,配合使用,来实现进程间的同步和通信。

第三类:BSD 套接字:
# 套接字( socket ) : 套解字也是一种进程间通信机制,与其他通信机制不同的是,它可用于不同及其间的进程通信。

本文介绍IPC之无名管道(pipe)和有名管道(fifo)

1、 管道概述及相关API应用

1.1 管道相关的关键概念

管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一,具有以下特点:

  • 管道是半双工的,数据只能向一个方向流动;需要双方通信时,需要建立起两个管道;
  • 只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程);
  • 单独构成一种独立的文件系统:管道对于管道两端的进程而言,就是一个文件,但它不是普通的文件,它不属于某种文件系统,而是自立门户,单独构成一种文件系统,并且只存在与内存中。
  • 数据的读出和写入:一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾,并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

1.2管道的创建:

#include
int pipe(int fd[2])

该函数创建的管道的两端处于一个进程中间,在实际应用中没有太大意义,因此,一个进程在由pipe()创建管道后,一般再fork一个子进程,然后通过管道实现父子进程间的通信(因此也不难推出,只要两个进程中存在亲缘关系,这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先,都可以采用管道方式来进行通信)。

1.3管道的读写规则:

管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述,需要注意的是,管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读,由描述字fd[0]表示,称其为管道读端;另一端则只能用于写,由描述字fd[1]来表示,称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据,或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道,如close、read、write等等。

从管道中读取数据:

  • 如果管道的写端不存在,则认为已经读到了数据的末尾,读函数返回的读出字节数为0;
  • 当管道的写端存在时,如果请求的字节数目大于PIPE_BUF,则返回管道中现有的数据字节数,如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF,则返回管道中现有数据字节数(此时,管道中数据量小于请求的数据量);或者返回请求的字节数(此时,管道中数据量不小于请求的数据量)。注:(PIPE_BUF在include/linux/limits.h中定义,不同的内核版本可能会有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少为512字节,red hat 7.2中为4096)。

向管道中写入数据:

  • 向管道中写入数据时,linux将不保证写入的原子性,管道缓冲区一有空闲区域,写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据,那么写操作将一直阻塞。 
    注:只有在管道的读端存在时,向管道中写入数据才有意义。否则,向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIFPIPE信号,应用程序可以处理该信号,也可以忽略(默认动作则是应用程序终止)。

1.4管道的局限性

管道的主要局限性正体现在它的特点上:

  • 只支持单向数据流;
  • 只能用于具有亲缘关系的进程之间;
  • 没有名字;
  • 管道的缓冲区是有限的(管道制存在于内存中,在管道创建时,为缓冲区分配一个页面大小);
  • 管道所传送的是无格式字节流,这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式,比如多少字节算作一个消息(或命令、或记录)等等;
无代码,无真相

  1. /*function:利用无名管道pipe实现有血缘关系的进程间通信,pipo_fd[0]是读端,pipo_fd[1]是写端。pipe是半双工的。
  2.  * */
  3. #include <unistd.h>
  4. #include <sys/types.h>
  5. #include <errno.h>
  6. #include <stdlib.h>
  7. #include <stdio.h>
  8. #include <string.h>

  9. int main()
  10. {
  11.     int pipe_fd[2];
  12.     pid_t pid;
  13.     char r_buf[10];
  14.     char w_buf[4];
  15.     int r_num;

  16.     memset(r_buf,0,sizeof(r_buf));
  17.     memset(w_buf,0,sizeof(w_buf));
  18.     if(pipe(pipe_fd)<0)
  19.     {
  20.         printf("pipe create error\n");
  21.         return -1;
  22.     }

  23.     if((pid=fork())==0)
  24.     {
  25.         printf("\n");
  26.         close(pipe_fd[1]);
  27.         sleep(3);//确保父进程关闭写端
  28.         r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,10);
  29.         printf(    "read num is %d the data read from the pipe is %d\n",r_num,atoi(r_buf));

  30.         close(pipe_fd[0]);
  31.         exit(1);
  32.     }
  33.     else if(pid>0)
  34.     {
  35.         close(pipe_fd[0]);//close read
  36.         strcpy(w_buf,"111");
  37.         if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!=-1)
  38.             printf("parent write over\n");
  39.         printf("parent close fd[1] over\n");
  40.         close(pipe_fd[1]);//write
  41.         sleep(10);
  42.     }
  43.     return 0;
  44. }

2、 有名管道概述及相关API应用

2.1 有名管道相关的关键概念

管道应用的一个重大限制是它没有名字,因此,只能用于具有亲缘关系的进程间通信,在有名管道(named pipe或FIFO)提出后,该限制得到了克服。FIFO不同于管道之处在于它提供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(能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间),因此,通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值得注意的是,FIFO严格遵循先进先出(first in first out),对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据,对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。

2.2有名管道的创建

#include
#include
int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode);

该函数的第一个参数是一个普通的路径名,也就是创建后FIFO的名字。第二个参数与打开普通文件的open()函数中的mode 参数相同。 如果mkfifo的第一个参数是一个已经存在的路径名时,会返回EEXIST错误,所以一般典型的调用代码首先会检查是否返回该错误,如果确实返回该错误,那么只要调用打开FIFO的函数就可以了。一般文件的I/O函数都可以用于FIFO,如close、read、write等等。

2.3有名管道的打开规则

有名管道比管道多了一个打开操作:open。

FIFO的打开规则:

如果当前打开操作是为读而打开FIFO时,若已经有相应进程为写而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回;否则,可能阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志);或者,成功返回(当前打开操作没有设置阻塞标志)。

如果当前打开操作是为写而打开FIFO时,如果已经有相应进程为读而打开该FIFO,则当前打开操作将成功返回;否则,可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO(当前打开操作设置了阻塞标志);或者,返回ENXIO错误(当前打开操作没有设置阻塞标志)。


2.4有名管道的读写规则

从FIFO中读取数据:

约定:如果一个进程为了从FIFO中读取数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的读操作为设置了阻塞标志的读操作。

  • 如果有进程写打开FIFO,且当前FIFO内没有数据,则对于设置了阻塞标志的读操作来说,将一直阻塞。对于没有设置阻塞标志读操作来说则返回-1,当前errno值为EAGAIN,提醒以后再试。
  • 对于设置了阻塞标志的读操作说,造成阻塞的原因有两种:当前FIFO内有数据,但有其它进程在读这些数据;另外就是FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入,不论信写入数据量的大小,也不论读操作请求多少数据量。
  • 读打开的阻塞标志只对本进程第一个读操作施加作用,如果本进程内有多个读操作序列,则在第一个读操作被唤醒并完成读操作后,其它将要执行的读操作将不再阻塞,即使在执行读操作时,FIFO中没有数据也一样(此时,读操作返回0)。
  • 如果没有进程写打开FIFO,则设置了阻塞标志的读操作会阻塞。

注:如果FIFO中有数据,则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞,此时,读操作会返回FIFO中现有的数据量。

向FIFO中写入数据:

约定:如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO,那么称该进程内的写操作为设置了阻塞标志的写操作。

对于设置了阻塞标志的写操作:

  • 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,linux将保证写入的原子性。如果此时管道空闲缓冲区不足以容纳要写入的字节数,则进入睡眠,直到当缓冲区中能够容纳要写入的字节数时,才开始进行一次性写操作。
  • 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,linux将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空闲区域,写进程就会试图向管道写入数据,写操作在写完所有请求写的数据后返回。

对于没有设置阻塞标志的写操作:

  • 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,linux将不再保证写入的原子性。在写满所有FIFO空闲缓冲区后,写操作返回。
  • 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时,linux将保证写入的原子性。如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数,写完后成功返回;如果当前FIFO空闲缓冲区不能够容纳请求写入的字节数,则返回EAGAIN错误,提醒以后再写;
无代码,无真相

  1. /* name:fifo_r.c
  2.  * 功能:读有名管道,并把读到的数据打印到屏幕*/

  3. #include <stdio.h>
  4. #include <stdlib.h>
  5. #include <unistd.h>
  6. #include <sys/types.h>
  7. #include <sys/stat.h>
  8. #include <errno.h>
  9. #include <fcntl.h>
  10. #define N 80

  11. int main(void) {
  12.     int in_file;
  13.     int count = 1;
  14.     char buf[N];
  15.     if((mkfifo("myfifo",0666))<0)//创建有名管道
  16.     {
  17.         if(errno==EEXIST)//管道已经存在
  18.         {
  19.             printf("The fifo is exist.\n");
  20.         }
  21.         else{
  22.             printf("creat myfifo failed!\n");
  23.             exit(-1);
  24.         }
  25.     }
  26.     else
  27.     {
  28.         printf("created by this process.\n");    
  29.     }
  30.     in_file = open("myfifo",O_RDONLY);
  31.     if (in_file < 0) {
  32.         printf("Error in opening.\n");
  33.         exit(1);
  34.     }

  35.     while ((count = read(in_file,buf,N)) > 0)
  36.     {
  37.         printf("received from fifo: %s\n", buf);
  38.         memset(buf,0,N);
  39.     }
  40.     close(in_file);
  41.     return 0;
  42. }

  1. /* name:fifo_w.c
  2.  * 功能:从标准输入中读取数据,并到写有名管道*/
  3. #include <stdio.h>
  4. #include <stdlib.h>
  5. #include <unistd.h>
  6. #include <string.h>
  7. #include <sys/types.h>
  8. #include <sys/stat.h>
  9. #include <errno.h>
  10. #include <fcntl.h>

  11. #define N 80

  12. int main() {
  13.     int out_file;
  14.     int nbyte;
  15.     char buf[N];
  16.     if((mkfifo("myfifo",0666))<0)    //创建有名管道
  17.     {
  18.         if(errno==EEXIST)
  19.         {
  20.             printf("The fifo is exist.\n");
  21.         }
  22.         else{
  23.             perror("creat myfifo failed!\n");
  24.             exit(-1);
  25.         }
  26.     }else{
  27.         printf("created by this process.\n");
  28.     }
  29.     out_file = open("myfifo",O_WRONLY);
  30.     if (out_file < 0) {
  31.         printf("Error opening fifo.");
  32.         exit(1);
  33.     }
  34.     printf("please input something:\n");
  35.     while((nbyte = read(0,buf,N))){
  36.         write(out_file,buf,nbyte);
  37.         printf("please input something:\n");
  38.     }
  39.     close(out_file);
  40.     return 0;
  41. }


小结:

管道常用于两个方面:(1)在shell中时常会用到管道(作为输入输入的重定向),在这种应用方式下,管道的创建对于用户来说是透明的;(2)用于具有亲缘关系的进程间通信,用户自己创建管道,并完成读写操作。

FIFO可以说是管道的推广,克服了管道无名字的限制,使得无亲缘关系的进程同样可以采用先进先出的通信机制进行通信。

管道和FIFO的数据是字节流,应用程序之间必须事先确定特定的传输"协议",采用传播具有特定意义的消息。

要灵活应用管道及FIFO,理解它们的读写规则是关键。






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