Linux下進程間通信：命名管道-mkfifo
摘要：進程間通信的方法有很多，FIFO與管道是最古老，也是相對來說更簡單的一個通信機制。FIFO相對管道有一個優勢，就是FIFO只要求兩個進程是同一主機的，而不要求進程之間存在親緣關係。FIFO是存在於文件系統的文件，可以使用諸如open、read、write等函數來操作。本文總結網絡和APUE關於FIFO討論，同時參考了Linux系統手冊。
FIFO（命名管道）概述
FIFO是一種進程通信機制，它突破通常管道無法進行無關進程之間的通信的限制，使得同一主機內的所有的進程都可以通信。FIFO是一個文件類型，stat結構中st_mode指明一個文件結點是不是一個FIFO，可以使用宏S_ISFIFO來測試這一點。
當一個FIFO存在於文件系統裏時，我們只需要在想進行通信的進程內打開這個文件就可以了。當然FIFO作爲一個特殊的文件，它有一些不同普通文件特性，下面會詳細詳述它的讀寫規則，這些相對精通文件來有一定的區別。
我們可以使用open、read、write來操作FIFO文件，從而實現進程間通信的目的。在shell環境下，也可以直接使用FIFO，這時往往與重寫向有一些關聯，一般系統都提供mkfifo實用程序來創建一個FIFO文件，這個程序實際上使用mkfifo系統調用來完成這個事。
mkfifo函數
mkfifo創建一個指定名字的FIFO，它的函數原型如下：
int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode);
返回值：成功，0；失敗，-1
參數pathname指出想要創建的FIFO路徑，參數mode指定創建的FIFO訪問模式。這個訪問會與當前進程的umask進程運算，以產生實際應用的權限模式。
mkfifo返回-1時表示創建過程中遇到某種錯誤，此時會設置errno，用戶可以檢測errno來取得進一步信息：
- EACCES： 路徑所在的目錄不允許執行權限
- EEXIST：路徑已經存在，這時包括路徑是一個符號鏈接，無論它是懸空還沒有懸空。
- ENAMETOOLONG：要麼全部的文件名大於PATH_MAX，要麼是單獨的文件名大於NAME_MAX。在GNU系統裏沒有這個文件名長度的限制，但在其它系統裏可能存在。
- ENOENT：目錄部分不存在，或者是一個懸空鏈接。
- ENOTDIR：目錄部分不一個目錄。
- EROFS：路徑指向一個只讀的文件系統。
命名管道讀寫規則
FIFO又叫命名管道，事實上它與管道確實在下許多相似之處，下面關於規則的討論很體現這個相似。
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了FIFO，那麼稱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爲空，則對於設置了阻塞標誌的讀操作來說，將一直阻塞下去，直到有數據可以讀時才繼續執行；對於沒有設置阻塞標誌的讀操作來說，則返回0個字節，當前errno值爲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種：一、當前FIFO內有數據，但有其它進程在讀這些數據；二、FIFO本身爲空。
解阻塞的原因是：FIFO中有新的數據寫入，不論寫入數據量的大小，也不論讀操作請求多少數據量，只要有數據寫入即可。 - 讀打開的阻塞標誌只對本進程第一個讀操作施加作用，如果本進程中有多個讀操作序列，則在第一個讀操作被喚醒並完成讀操作後，其它將要執行的讀操作將不再阻塞，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）。
- 如果沒有進程寫打開FIFO，則設置了阻塞標誌的讀操作會阻塞。
- 如果FIFO中有數據，則設置了阻塞標誌的讀操作不會因爲FIFO中的字節數少於請求的字節數而阻塞，此時，讀操作會返回FIFO中現有的數據量。
從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，那麼稱該進程內的寫操作爲設置了阻塞標誌的寫操作。
FIFO的長度是需要考慮的一個很重要因素。系統對任一時刻在一個FIFO中可以存在的數據長度是有限制的。它由#define PIPE_BUF定義，在頭文件limits.h中。在Linux和許多其他類UNIX系統中，它的值通常是4096字節，Red Hat Fedora9下是4096，但在某些系統中它可能會小到512字節。
雖然對於只有一個FIFO寫進程和一個FIFO的讀進程而言，這個限制並不重要，但只使用一個FIFO並允許多個不同進程向一個FIFO讀進程發送請求的情況是很常見的。如果幾個不同的程序嘗試同時向FIFO寫數據，能否保證來自不同程序的數據塊不相互交錯就非常關鍵了à也就是說，每個寫操作必須“原子化”。
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，纔開始進行一次性寫操作。即寫入的數據長度小於等於PIPE_BUF時，那麼或者寫入全部字節，或者一個字節都不寫入，它屬於一個一次性行爲，具體要看FIFO中是否有足夠的緩衝區。
- 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。
沒有設置阻塞標誌的寫操作：
- 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。
- 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。
FIFO示例
本段給出使用FIFO一個示例，它體現了兩個使用FIFO的典型情景。
創建FIFO
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
int main()
{
int res = mkfifo("/tmp/my_fifo", 0777);
if(res == 0)
{
printf("FIFO created\n");
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
使用FIFO
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
FIFO "/tmp/my_fifo"
//本程序從一個FIFO讀數據，並把讀到的數據打印到標準輸出
//如果讀到字符“Q”，則退出
int main(int argc, char** argv)
{
char buf_r[100];
int fd;
int nread;
if((mkfifo(FIFO, O_CREAT) < 0) && (errno != EEXIST))
{
printf("不能創建FIFO\n");
exit(1);
}
printf("準備讀取數據\n");
fd = open(FIFO, O_RDONLY, 0);
if(fd == -1)
{
perror("打開FIFO");
exit(1);
}
while(1)
{
if((nread = read(fd, buf_r, 100)) == -1)
{
if(errno == EAGAIN) printf("沒有數據\n");
}
//假設取到Q的時候退出
if(buf_r[0]=='Q') break;
buf_r[nread]=0;
printf("從FIFO讀取的數據爲：%s\n", buf_r);
sleep(1);
}
}
原文：http://cpp.ezbty.org/content/science_doc/linux%E4%B8%8B%E8%BF%9B%E7%A8%8B%E9%97%B4%E9%80%9A%E4%BF%A1%EF%BC%9A%E5%91%BD%E5%90%8D%E7%AE%A1%E9%81%93_mkfifo