【摘 要】在Linux下，由于處于用戶態(tài)的不同進(jìn)程之間是彼此隔離的，它們必須通過某種機(jī)制來進(jìn)行通信。Linux平臺下提供了多種進(jìn)程通信方式，如管道、信號量、消息隊列等，本文主要研究了Linux環(huán)境中的管道通信的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，探討無名管道和有名管道的工作方式，及相應(yīng)的創(chuàng)建和使用的方法。

【關(guān)鍵詞】Linux、進(jìn)程通信、管道

一、管道實(shí)現(xiàn)機(jī)制

我們把從一個進(jìn)程連接到另一個進(jìn)程的數(shù)據(jù)流稱為 “管道”，這是最早的Linux進(jìn)程間通信機(jī)制之一。在Linux中管道常作為一種特殊文件處理。實(shí)際上，管道是內(nèi)核中一個固定大小的緩沖區(qū)，它按先進(jìn)先出的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一個進(jìn)程向管道中寫的內(nèi)容會被管道另一端的進(jìn)程讀出。每次寫入的內(nèi)容都添加在管道緩沖區(qū)的末尾，且從緩沖區(qū)的頭部讀出數(shù)據(jù)，讀寫的位置自動增加，并且從管道讀數(shù)據(jù)是一次性操作，數(shù)據(jù)一旦被讀，便從管道中被拋棄。在緩沖區(qū)寫滿時，則由相應(yīng)的規(guī)則控制讀寫進(jìn)程進(jìn)入等待隊列，當(dāng)空的緩沖區(qū)有寫入數(shù)據(jù)或滿的緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)讀出時，就喚醒等待隊列中的讀寫進(jìn)程繼續(xù)讀寫。

管道分無名管道和有名管道。無名管道沒有文件名，也沒有磁盤節(jié)點(diǎn)，僅作為一個內(nèi)存對象存在，用完后便銷毀。無名管道沒有顯式的打開過程，實(shí)際上它在創(chuàng)建時就自動打開了，故只能由有親緣關(guān)系的兩個進(jìn)程間通信使用。而有名管道克服了無名管道沒有名字的限制，可由任意兩個或多個進(jìn)程間通信使用，它的使用方法和普通文件類似，都遵循打開、讀、寫、關(guān)閉的過程，只是讀寫的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)和普通文件有所不同。

二、無名管道

（一）無名管道創(chuàng)建

int pipe（int fd[2]）在Linux中可以通過系統(tǒng)調(diào)用建立管道。當(dāng)一個管道建立時，會創(chuàng)建兩個文件描述符fd [0]和fd [1]，其中fd [0]固定用于讀管道，fd[1]固定用于寫管道，如圖1所示，這樣就構(gòu)成了一個半雙工通道。

由于管道用于不同進(jìn)程間通信，而調(diào)用pipe（）創(chuàng)建的管道兩端處于一個進(jìn)程中，這在實(shí)際應(yīng)用中沒有太大意義。因此，通常先是創(chuàng)建一個管道，再通過調(diào)用fork（）函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程，該子進(jìn)程會繼承父進(jìn)程所創(chuàng)建的管道，這時，父子進(jìn)程就可以共享該管道。管道的文件描述符對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。此時關(guān)系看似非常復(fù)雜，實(shí)際上卻給不同進(jìn)程之間的讀寫創(chuàng)造了很好的條件。父子進(jìn)程分別擁有自己的讀寫通道，為了實(shí)現(xiàn)父子進(jìn)程之間的讀寫，只需把無關(guān)的讀端或?qū)懚宋募枋龇P(guān)閉即可。如在圖3中將父進(jìn)程的寫端fd[1]和子進(jìn)程的讀端fd[0]關(guān)閉，此時，父子進(jìn)程之間就建立起了一條“子進(jìn)程寫入父進(jìn)程讀取”的通道。反之，亦如此。

（二） 無名管道讀寫操作

創(chuàng)建完管道后，便可以調(diào)用I/O函數(shù)，如close、read、write等函數(shù)，對管道進(jìn)行讀寫了，但注意與普通文件讀寫還有一定區(qū)別。

1.從無名管道中讀取數(shù)據(jù)。如果管道寫端不存在，則認(rèn)為已經(jīng)讀到了數(shù)據(jù)的末尾，讀函數(shù)返回的讀出字節(jié)數(shù)為0；

當(dāng)管道寫端存在時，如果請求的字節(jié)數(shù)目大于PIPE_BUF，則返回管道中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，如果請求的字節(jié)數(shù)目不大于PIPE_BUF，則返回管道中現(xiàn)有數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)或返回請求的字節(jié)數(shù)。

2.向無名管道中寫入數(shù)據(jù)。向管道中寫入數(shù)據(jù)時，Linux將不保證寫入的原子性，管道緩沖區(qū)一有空閑區(qū)域，寫進(jìn)程就會試圖向管道寫入數(shù)據(jù)。如果讀進(jìn)程不讀走管道緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，則寫操作將一直阻塞。

三、有名管道

有名管道建立在實(shí)際的磁盤介質(zhì)上，有自己的名字，它以FIFO的文件形式存在于文件系統(tǒng)中。故即使與FIFO的創(chuàng)建進(jìn)程不存在親緣關(guān)系的進(jìn)程，只要可以訪問該路徑，就能夠彼此通過FIFO相互通信。

（一） 有名管道創(chuàng)建

int mkfifo（const char * pathname， mode_t mode）

該函數(shù)的第一個參數(shù)是路徑名，即創(chuàng)建后FIFO的名字。若該參數(shù)是一個已經(jīng)存在的路徑名時，會返回EEXIST錯誤，故在調(diào)用mkfifo函數(shù)前最好先檢查FIFO是否已經(jīng)創(chuàng)建。

第二個參數(shù)與open（）函數(shù)中的mode參數(shù)相同。如果程序在打開FIFO時指定了只讀/只寫方式，則該進(jìn)程對于打開的FIFO就是一個讀端/寫端。如果指定的是讀寫方式，進(jìn)程既是讀端又是寫端。

（二） 有名管道的打開

無名管道在創(chuàng)建時自動打開，但有名管道在使用時必須調(diào)用open（）打開。因?yàn)闊o名管道有兩個文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：對應(yīng)的VFS索引節(jié)點(diǎn)及共享數(shù)據(jù)頁，在進(jìn)程每次運(yùn)行時都會創(chuàng)建一次，而FIFO一旦創(chuàng)建便一直存在。

對管道使用open（）時可能會引起阻塞。若同時用讀寫方式（O_RDWR）打開，則不會引起阻塞；若用只讀方式（O_RDONLY）打開，則open（）會阻塞一直到有寫方打開管道， 除非指定了非阻塞方式（O_NONBLOCK）打開；若以只寫方式（O_WRONLY）打開也會阻塞到有讀方打開管道。

（三） 有名管道的讀寫

對有名管道的讀寫可以直接調(diào)用read（）、write（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，但在管道的讀寫中可能有阻塞情況，我們可以在open（）函數(shù)中設(shè)定非阻塞標(biāo)志（O_NONBLOCK）。

1.從FIFO中讀取數(shù)據(jù)。如果有進(jìn)程寫打開FIFO，且當(dāng)前FIFO內(nèi)沒有數(shù)據(jù)，則對設(shè)置了阻塞標(biāo)志的讀操作將一直阻塞。對沒有設(shè)置阻塞標(biāo)志讀操作來說則返回-1。對設(shè)置了阻塞標(biāo)志的讀操作來說，造成阻塞的原因有兩種：當(dāng)前FIFO內(nèi)有數(shù)據(jù)，但有其它進(jìn)程在讀這些數(shù)據(jù)或是FIFO內(nèi)沒有數(shù)據(jù)。解阻塞的原因則是FIFO中有新的數(shù)據(jù)寫入。

2.向FIFO中寫入數(shù)據(jù)。對于設(shè)置了阻塞標(biāo)志的寫操作，當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)量不大于PIPE_BUF時，Linux將保證寫入的原子性，若此時管道空閑緩沖區(qū)不足以容納要寫入的字節(jié)數(shù)，則進(jìn)入睡眠，直到緩沖區(qū)中能夠容納要寫入的字節(jié)數(shù)時，才開始進(jìn)行一次性寫操作；當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)量大于PIPE_BUF時，Linux將不保證寫入的原子性，F(xiàn)IFO緩沖區(qū)一有空閑區(qū)域，寫進(jìn)程就會試圖向管道寫入數(shù)據(jù)。

對于沒有設(shè)置阻塞標(biāo)志的寫操作，當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)量大于PIPE_BUF時，Linux不保證寫入的原子性，在寫滿所有FIFO空閑緩沖區(qū)后，寫操作返回；當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)量不大于PIPE_BUF時，Linux將保證寫入的原子性，若當(dāng)前FIFO空閑緩沖區(qū)能夠容納請求寫入的字節(jié)數(shù)，寫完后成功返回；如果當(dāng)前FIFO空閑緩沖區(qū)不能夠容納請求寫入的字節(jié)數(shù)，則返回EAGAIN錯誤，提醒以后再寫。

四、 結(jié)束語

管道是Linux平臺下最有特色的IPC方式之一，本文介紹了Linux中管道的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，并詳細(xì)討論了無名管道和有名管道的創(chuàng)建及使用方法，指出無名管道用于親緣關(guān)系的進(jìn)程，而有名管道則可用于任何進(jìn)程之間。

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作者簡介：高霞，女，1980年11月，湖北十堰，武昌理工學(xué)院信息工程學(xué)院講師，嵌入式方向