1 有名管道相關的關鍵概念
管道應用的一個重大限制是它沒有名字，因此只能用於具有親緣關係的進程間通信，在有名管道（named pipe或FIFO）提出後，該限制得到了克服。FIFO不同於管道之處在於它提供了一個路徑名與之關聯，以FIFO的文件形式存在於文件系統中。這樣，即使與FIFO的創建進程不存在親緣關係的進程，只要可以訪問該路徑，就能夠彼此通過FIFO相互通信（能夠訪問該路徑的進程以及FIFO的創建進程之間），因此，通過FIFO不相關的進程也能交換數據
2 有名管道的創建
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode)該函數的第一個參數是一個普通的路徑名，也就是創建後FIFO的名字。第二個參數與打開普通文件的open()函數中mode參數相同。如果mkfifo的第一個參數是一個已經存在的路徑名時，會返回EEXIST錯誤，所以一般典型的調用代碼首先會檢查是否返回該錯誤，如果確實返回該錯誤，那麼只要調用打開FIFO的函數就可以了。一般文件的I/O函數都可以用於FIFO，如close、read、write等等。
3 有名管道的打開規則
有名管道比管道多了一個打開操作：open。
FIFO的打開規則：
- 如果當前打開操作是爲讀而打開FIFO時，若已經有相應進程爲寫而打開該FIFO，則當前打開操作將成功返回；否則，可能阻塞直到有相應進程爲寫而打開該FIFO（當前打開操作設置了阻塞標誌）；或者，成功返回（當前打開操作沒有設置阻塞標誌）。
- 如果當前打開操作是爲寫而打開FIFO，如果已經有相應進程爲讀而打開該FIFO，則當前打開操作將成功返回；否則可能阻塞直到有相應進程爲讀而打開該FIFO（當前打開操作設置了阻塞標誌）；或者，返回ENXIO錯誤（當前打來操作沒有設置阻塞標誌）。
對打開規則的驗證程序：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#define FIFO_SERVER "/tmp/fifoserver"
int handle_client(char*);
main(int argc, char**argv)
{
int r_rd;
int w_fd;
pid_t pid;
if((mkfifo(FIFO_SERVER, O_CREAT | O_EXCL) < 0)&&(errno != EEXIST))
printf("cannot create fifoserver!\n");
handle_client(FIFO_SERVER);
}
int handle_client(char* arg)
{
int ret;
ret = w_open(arg);
switch(ret)
{
case 0:
{
printf("open %s error\n", arg);
printf("no process has the fifo open for reading\n");
return -1;
}
case -1:
{
printf("something wrong with open the fifo except for ENXIO");
return -1;
}
case 1:
{
printf("open server ok\n");
return 1;
}
default:
{
printf("w_no_r return ----\n");
return 0;
}
}
unlink(FIFO_SERVER);
}
int w_open(char*arg)
//0 open error for no reading
//-1 open error for other reasons
//1 open ok
{
if(open(arg, O_WRONLY | O_NONBLOCK,0) == -1)
{
if(errno == ENXIO)
{
return 0;
}
else
return -1;
}
return 1;
}4 有名管道的讀寫規則
從FIFO中讀取數據：
約定：如果一個進程爲了從FIFO中讀取數據而阻塞打開FIFO，那麼該進程內的讀操作爲設置了阻塞標誌的讀操作。
- 如果有進程寫打開FIFO，且當前FIFO內沒有數據，則對於設置了阻塞標誌的讀操作來說，則一直阻塞。對於沒有設置阻塞標誌讀操作來說則返回-1，當前errno值位EAGAIN，提醒以後再試。
- 對於設置了阻塞標誌的讀操作來說，造成阻塞的原因有兩個：當前FIFO內有數據，但有其他進程在讀這些數據；另外就是FIFO內沒有數據。解阻塞的原因則是FIFO中有新的數據寫入，不論信號寫入數據量的大小，也不論讀操作請求多少數據量。
- 讀打開的阻塞標誌只對本進程第一個讀操作施加作用，如果本進程內有多個讀操作序列，則在第一個讀操作被喚醒並完成讀操作後，其他將要執行的讀操作將不再堵塞，即使在執行讀操作時，FIFO中沒有數據也一樣（此時，讀操作返回0）。
- 如果沒有進程打開FIFO，則設置了堵塞標誌的讀操作會阻塞。
注：如果FIFO中有數據，則設置了阻塞標誌的讀操作不會因爲FIFO中的字節數小於請求讀的字節數而堵塞，此時，讀操作會單反毀FIFO中現有的數據量。
向FIFO中寫入數據：
約定：如果一個進程爲了向FIFO中寫入數據而阻塞打開FIFO，那麼該進程內的寫操作爲設置了阻塞標誌的寫操作。
對於設置了阻塞標誌的寫操作：
- 當要寫入的數據量不大於PIPE_BUF時，linux將保證寫入的原子性。如果此時管道空閒緩衝區不足以容納要寫入的字節數，則進入睡眠，直到當緩衝區中能夠容納要寫入的字節數時，纔開始進行一次性讀寫操作。
- 當要寫入的數據量大於PIPE_BUF時，linux將不再保證寫入的原子性。FIFO緩衝區一有空閒區域，寫進程就會試圖向管道寫入數據，寫操作在寫完所有請求寫的數據後返回。
對於沒有設置阻塞標誌的寫操作：
- 當要寫入的數據量大於PIPE_BUF時，linux將不再保證寫入的原子性。在寫滿所有FIFO空閒緩衝區後，寫操作返回。
- 當要寫入的數據量不大於PIPE_BUF時，linux將保證寫入的原子性。如果當前FIFO空閒緩衝區能夠容納請求寫入的字節數，寫完後成功返回；如果當前FIFO空閒緩衝區不能夠容納請求寫入的字節數，則返回EAGAIN錯誤，提醒以後再寫。
對於FIFO讀寫規則的驗證：
下面提供了兩個對FIFO的讀寫程序，適當調節程序中的很少地方或者程序的命令行參數就可以對各種讀寫規則進行驗證。
程序1：寫FIFO的程序
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define FIFO_SERVER "/tmp/fifoserver"
main(int argc, char** argv)
//參數爲即將寫入的字節數
{
int fd;
char w_buf[4096*2];
int real_wnum;
memset(w_buf, 0, 4096*2);
if((mkfifo(FIFO_SERVER, O_CREAT|O_EXCL) < 0)&&(errno != EEXIST))
printf("cannot create fifoserver\n");
if(fd == -1)
{
if(errno == ENXIO)
printf("open error; no reading process\n");
}
fd = open(FIFO_SERVER, O_WRONLY|O_NONBLOCK, 0);
//設置非阻塞標誌
//fd = open(FIFO_SERVER, O_WRONLY, 0);
//設置阻塞標誌
real_wnum = write(fd, w_buf, 2048);
if(real_wnum == -1)
{
if(errno == EAGAIN)
printf("write to fifo error; try later\n");
}
else
printf("real write num is %d\n",real_wnum);
real_wnum = write(fd, w_buf, 5000);
//5000用於測試寫入字節大於4096時的非原子性
//real_wnum = write(fd, w_buf, 4096);
//4096用於測試寫入字節不大於4096時的原子性
if(real_wnum == -1)
{
if(errno == EAGAIN)
printf("try later\n");
}
}程序2：與程序1一起測試寫FIFO的規則，第一個命令行參數是請求從FIFO讀出的字節數
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define FIFO_SERVER "/tmp/fifoserver"
main(int argc, char** argv)
{
char r_buf[4096*2];
int fd;
int r_size;
int ret_size;
r_size = atoi(argv[1]);
printf("requred real read bytes %d\n", r_size);
memset(r_buf, 0, sizeof(r_buf));
fd = open(FIFO_SERVER, O_RDONLY | O_NONBLOCK, 0);
//fd = open(FIFO_SERVER, O_RDONLY, 0);
//在此處可以把讀程序編譯成兩個不同版本：阻塞版本及非阻塞版本
if(fd == -1)
{
printf("open %s for read error\n", FIFO_SERVER);
exit(0);
}
while(1)
{
memset(r_buf, 0 ,sizeof(r_buf));
ret_size = read(fd, r_buf, r_size);
if(ret_size == -1)
{
if(errno == EAGAIN)
printf("no data avlaible\n");
printf("real read bytes %d\n", ret_size);
sleep(1);
}
pause();
unlink(FIFO_SERVER);
}
}程序應用說明：
把讀程序編譯成2個不同版本：
- 阻塞讀版本：br
- 非阻塞讀版本：nbr
-
把寫程序編譯成4個版本：
- 非阻塞且請求寫的字節數大於PIPE_BUF版本：nbwg
- 非阻塞且請求寫的字節數不大於PIPE_BUF版本：nbw
- 阻塞且請求寫的字節數大於PIPE_BUF版本：bwg
- 阻塞且請求寫的字節數不大於PIPE_BUF版本：bw
下面將使用br、nbr、w代替相應程序中的堵塞讀、非堵塞讀
驗證堵塞寫操作：
1、當請求寫入的數據量大於PIPE_BUF時的非原子性：
nbr 1000
bwg
2、當請求寫入的數據量不大於PIPE_BUF時的原子性：
bnr 1000
bw
驗證非堵塞寫操作：
1、當請求寫入的數據量大於PIPE_BUF時的非原子性
nbr 1000
nbwg
2、請求寫入的數據量不大於PIPE_BUF時的原子性：
nbr 1000
nbw
不管打開的阻塞標誌是否設置，在請求寫入的字節數大於4096時，都不保證寫入的原子性。但二者有本質區別：
- 對於阻塞寫來說，寫操作在寫滿FIFO的空閒區域後，會一直等待，直到寫完所有數據爲止，請求寫入的數據最終都會寫入FIFO；
- 而非阻塞寫則在寫滿FIFO的空閒區域後，就返回(實際寫入的字節數)，所以有些數據最終不能夠寫入。
對於讀操作的驗證則比較簡單，不再討論。
5 有名管道應用實例：
在驗證了相應的讀寫規則後，應用實例似乎就沒有必要了。
小結：
管道常用於兩個方面：（1）在shell中時長會用到管道（作爲輸入的重定向），在這種應用方式下，管道的創建對於用戶來說是透明的；（2）用於具有親緣關係的進程間通信，用戶自己創建管道，並完成讀寫操作。
FIFO可以說是管道的推廣，克服了管道無名字的限制，使得無親緣關係的進程同樣可以採用先進的通信機制進行通信。
管道和FIFO的數據是字節流，應用程序之間必須事先確定特定的傳輸“協議”。才能傳播具有特定意義的消息。
要靈活應用管道及FIFO，理解它們的讀寫規則是關鍵。
【原文名稱】Linux環境進程間通信（一） - 鄭彥興 - IBMdeveloperWorks
【網址】 https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part1/index.html
