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Linux 高级编程 - 有名管道 FIFO


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FIFO 和 Pipe 的区别

上一篇文章我们了解了无名管道 Pipe 的原理,这篇文章我们来学习 IPC 的第二种方式 FIFO 有名管道,既然同为管道,它们两个有什么区别呢?

  1. 相同点:Pipe 和 FIFO 都用管道来进行 IPC
  2. 相同点:Pipe 和 FIFO 的管道数据都存在内核内存的缓冲区中
  3. 不同点:Pipe 不在磁盘上建立管道文件,FIFO 在磁盘上建立管道文件
  4. 不同点:Pipe 需要通信的进程具有亲缘关系,而 FIFO 在不相关的进程之间也能交换数据

有名管道 FIFO 和无名管道 Pipe 主要的区别就是 FIFO 在磁盘上建立管道文件(FIFO 将内核数据缓冲区映射到了实际的文件节点),所以我们可以在磁盘上实际看到,故称为「有名字」,而 Pipe 没有在磁盘上建立文件,我们不能实际看到,故称为「无名」,其实就这么简单的理解。了解了基本的区别,我们来看看操作 FIFO 的函数。

如何使用 FIFO?

我们使用 FIFO 是在磁盘上建立一个管道文件,然后利用这个文件作为管道的传输通道,但是这个管道文件很特殊,它的大小始终为 0,原因是管道的数据是存放在内核的内存中的,不在管道文件中,我们也可以验证这个事实。

mkfifo 命令

shell 终端中你可以使用下面的命令来手动建立一个管道文件:

mkfifo fifo_file

然后看一些这个文件的属性和大小,发现是黄色的管道文件( p ),大小始终为 0,并且你也不能手动使用编辑器来编辑这个文件:

ll fifo_file
# 结果
prw-r--r-- 1 orange orange 0 Aug  5 14:05 fifo_file|

vim fifo_file
# 不能编辑这个文件

来看个实际的例子。

mkfifo 函数

Linux 不仅提供了创建管道文件的命令,也提供了 API:

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

/*
 * pathname:FIFO 文件名称
 * mode:FIFO 文件访问权限
 * return:成功返回 0, 失败返回 -1, 并设置 erron
 */
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

例子:fifo_r.c,fifo_w.c

来看一个实际使用有名管道的例子,在这个例子中 fifo_w 向管道文件写入数据,fifo_r 从管道中读取数据。先看看写入文件:

// fifo_w.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

// FIFO 文件名
#define FIFO_PATH "fifo_file"


int main() {
	// 创建 FIFO 文件,如果存在就不再创建
	if (mkfifo(FIFO_PATH, 0666) < 0 && errno != EEXIST) {
		perror("create fifo failed");
		return -1;
	} else {
		char cont_w[] = "I'm FIFO write.\n";
		// 以只写的方式打开
		int fd = open(FIFO_PATH, O_CREAT|O_WRONLY, 0666);
		if (fd > 0) {
			while (1) {
				// 循环写入内容
				write(fd, cont_w, strlen(cont_w));
				sleep(1);
				printf("write: %s\n", cont_w);
			}
			close(fd);
		}
	}

	return 0;
}

这是从 FIFO 文件中读取:

// fifo_r.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>

// FIFO 文件名
#define FIFO_PATH "fifo_file"

int main() {
	// 创建 FIFO 文件,如果存在就不再创建
	if (mkfifo(FIFO_PATH, 0666) < 0 && errno != EEXIST) {
		perror("create fifo failed");
		return -1;
	} else {
		char cont_r[255];
		// 以只读的方式打开
		int fd = open(FIFO_PATH, O_CREAT | O_RDONLY, 0666);
		if (fd > 0) {
			while (1) {
				// 读取 FIFO 中的内容
				read(fd, cont_r, 255);
				printf("read: %s\n", cont_r);
			}
			close(fd);
		}
	}

	return 0;
}

编译运行

先编译:

gcc fifo_w.c -o fifo_w
gcc fifo_r.c -o fifo_r

运行 fifo_w 写入内容:

./fifo_w

再运行另一个 fifo_r 从管道中读取内容:

./fifo_r

如果运行成功,会发现可以成功读取写入的内容,这跟 Pipe 的操作其实是相同的。但是要注意的是当运行 fifo_w,而没有运行 fifo_r 的时候,写入端将会阻塞,这主要是当用 open 打开 FIFO 文件时会有下面 2 个状态:

  1. 在一般情况下(没有指定 O_NONBLOCK),以只读的方式 open FIFO 文件会阻塞到某个进程为写而打开这个 FIFO 为止,同样以只写的方式 open FIFO 文件会阻塞到某个进程为读而打开这个文件为止。
  2. 如果指定了 O_NONBLOCK,则只读 open 立即返回,如果没有进程为读而打开一个 FIFO,那么只写 open 将返回 -1,并将 erron 设置成 ENXIO。

下面也来分析下内核中的 FIFO 实现。

FIFO 的内核实现

FIFO 的内核实现和 Pipe 的大同小异,这里还是以 Linux-3.4 内核来分析,先来看看 FIFO 在内核大体的执行过程:fs/fifo.c

fifo

fifo.c 实际上也是一个内核的驱动文件,从 fifo_open 开始,然后对文件进行加锁,之后就像 Pipe 一样为管道的内存数据分配内核内存空间,因为 FIFO 文件里面是不存储数据的,数据都存储在内核缓存区中,之后判断当前的读写模式进行相应的操作,最后解锁文件。

结语

这样我们就学习了第二种 Linux IPC 机制:有名管道 FIFO。我们知道了 FIFO 和 Pipe 的机制是差不多的,只是 FIFO 在磁盘上有个可以看到的文件,实际的读写数据还是在内核内存中的。Pipe 进行 IPC 需要进程有亲缘关系,但是通过 FIFO,不相关的进程也能交换数据。shell 命令也是使用 FIFO 将数据从一条管道传送到另一条,从而实现了命令的组合使用,并且无需创建中间临时文件,例如:ps -aux | grep xxx。就这些了,希望你能认真实践。

感谢你的阅读,我们下次再见 :)

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DLonng at 08/05/17