Linux基础（八）管道与FIFO

该系列文章为《Linux/Unix系统编程手册》的学习笔记，由于该书太过冗长，属于工具书的类别，这里对书中的一些核心内容加以提炼和整理。书中的编程练习这里不做展示和说明。

管道是一个单向、容量有限的字节流，用来在相关进程之间传递数据。FIFO是管道的变体，他们之间的一个重要区别在于FIFO可以用于任意进程间的通信。

管道

管道有以下几个特性：

是一个字节流：即拥有字节流的几个特点：
- 管道中是不存在消息或者消息边界的概念的，可以从管道中读取任意大小的数据块，而不管写入管道的数据大小。
- 通过管道传输的数据是有序的，顺序为写入管道的数据顺序。
- 在管道中无法通过lseek()随机访问数据。
是单向的：一端用于写入，另一端用于读取。
是容量有限的：管道是一个维护在内核内存中的缓冲器，一旦管道被填满，后续的写入操作会被阻塞直到读者从管道中移除了一些数据。

管道中的读取写入行为：

从管道中读取数据字节为n：
- 若管道内数据字节p=0：若写入端没有全部关闭，读取操作将被阻塞；若写入端全部关闭，将会读到文件结束（即read()调用返回0）。
- 若管道内数据字节p<n：读取p字节后阻塞。
- 若管道内数据字节p>n：读取n字节。
向管道内写入数据：
- 管道存在一个PIPE_BUF，如果写入的字节数不超过这个值，管道可以保证原子写入。如果超过这个值，内核可能会将数据分成几段来传输，如果存在多个进程写入，那么写入的数据可能会交叉。
- 如果写入时已经没有读取端，写入端进程将受到SIGPIPE信号，默认终止进程，write()调用也将返回EPIPE错误。

int pipe(int filedes[2]);

调用pipe()系统调用会在数组filedes中返回两个打开的文件描述符，filedes[0]用于管道的读取端，filedes[1]用于管道的写入端。

管道用于父子进程或兄弟进程间的通信，方法是在调用pipe()之后调用fork()，子进程会继承父进程的文件描述符的副本，之后一个进程应立即关闭管道写入端的文件描述符，另一个则应关闭读取端的文件描述符。

ls | grep filename

shell中常见的过滤器即采用管道实现：将前一个进程的标准输出连接到管道的写入端，将后一个进程的标准输入连接到管道的读取端，可以采用dup2()调用关闭标准输入（1）或标准输出描述符（2），并将管道的响应文件描述符复制到1和2上。

这里复习一下文件I/O的知识，dup2(oldfd, newfd)系统调用会确保oldfd复制到newfd上，如果newfd已经打开，调用会关闭newfd所指的文件描述符，并忽略关闭过程中的所有错误。

多数情况下进程会默认打开0、1、2的文件描述符，但为了不依赖这个前提，复制的过程应该如下所示：

int pfd[2];
pipe(pfd);

if (pfd[1] != STDOUT_FILENO) {
    dup2(pfd[1], STDOUT_FILENO);
    close(pfd[1]);
}

FIFO的作用与管道类似，不过其存在于文件系统中，打开方式与打开一个普通文件一致，这样就实现了非相关进程间的通信。

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

mkfifo()调用会创建一个FIFO文件，并制定其权限掩码mode。可以通过open()系统调用打开FIFO：

为了防止进程打开多个FIFO时产生死锁，在打开FIFO时应设置O_NONBLOCK标记来实现非阻塞I/O。如果采用这种方式调用write()向FIFO中写入数据时，若没有相应进程打开FIFO用以读取，这个调用将会失败。

(End)