FIFO管道在linux系统中的应用

Linux系统是一种支持多任务并发执行的操作系统，它可以同时运行多个进程，从而提高系统的利用率和效率。但是，如果这些进程之间需要进行数据交换和协作，就需要使用一些进程间通信（IPC）的方式，例如信号、消息队列、共享内存、信号量等。其中，有名管道（FIFO）是一种比较简单而强大的IPC方式，它可以让两个或多个进程通过一个文件来进行数据传输，无需关心文件的内容和格式。本文将介绍linux系统中的有名管道（FIFO）的方法，包括有名管道的创建、打开、读写、关闭和删除等方面。

无名管道应用的一个重大限制是它没有名字，因此，只能用于具有亲缘关系的进程间通信，在有名管道（named pipe或FIFO）提出后，该限制得到了克服。FIFO不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样，即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信（能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间），因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值得注意的是，FIFO严格遵循先进先出（first in first out），对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。
管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）
管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等

FIFO往往都是多个写进程，一个读进程。

FIFO的打开规则：

1. 如果当前打开操作是为读而打开FIFO时，若已经有相应进程为写而打开该FIFO，则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO（当前打开操作设置了阻塞标志）；或者，成功返回（当前打开操作没有设置阻塞标志）。
2. 如果当前打开操作是为写而打开FIFO时，如果已经有相应进程为读而打开该FIFO，则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO（当前打开操作设置了阻塞标志）；或者，返回ENXIO错误（当前打开操作没有设置阻塞标志）。

总之就是一句话，一旦设置了阻塞标志，调用mkfifo建立好之后，那么管道的两端读写必须分别打开，有任何一方未打开，则在调用open的时候就阻塞。

从FIFO中读取数据：

约定：如果一个进程为了从FIFO中读取数据而阻塞打开FIFO，那么称该进程内的读操作为设置了阻塞标志的读操作。（意思就是我现在要打开一个有名管道来读数据！）

如果有进程写打开FIFO，且当前FIFO内没有数据(可以理解为管道的两端都建立好了，但是写端还没开始写数据！)

1. 则对于设置了阻塞标志的读操作来说，将一直阻塞（就是block住了，等待数据。它并不消耗CPU资源，这种进程的同步方式对CPU而言是非常有效率的。）
2. 对于没有设置阻塞标志读操作来说则返回-1，当前errno值为EAGAIN，提醒以后再试。

对于设置了阻塞标志的读操作说（见上面的约定）
造成阻塞的原因有两种

1. FIFO内有数据，但有其它进程在读这些数据
2. FIFO内没有数据。解阻塞的原因则是FIFO中有新的数据写入，不论信写入数据量的大小，也不论读操作请求多少数据量。

读打开的阻塞标志只对本进程第一个读操作施加作用，如果本进程内有多个读操作序列，则在第一个读操作被唤醒并完成读操作后，其它将要执行的读操作将不再阻塞，即使在执行读操作时，FIFO中没有数据也一样,此时，读操作返回0。

注：如果FIFO中有数据，则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞，此时，读操作会返回FIFO中现有的数据量。

向FIFO中写入数据：

约定：如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO，那么称该进程内的写操作为设置了阻塞标志的写操作。

对于设置了阻塞标志的写操作：

1. 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。如果此时管道空闲缓冲区不足以容纳要写入的字节数，则进入睡眠，直到当缓冲区中能够容纳要写入的字节数时，才开始进行一次性写操作。（PIPE_BUF ==>> /usr/include/linux/limits.h）
2. 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据，写操作在写完所有请求写的数据后返回。

对于没有设置阻塞标志的写操作：

1. 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。在写满所有FIFO空闲缓冲区后，写操作返回。
2. 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数，写完后成功返回；如果当前FIFO空闲缓冲区不能够容纳请求写入的字节数，则返回EAGAIN错误，提醒以后再写；

简单描述下上面设置了阻塞标志的逻辑
设置了阻塞标志

if (buf_to_write then
 if ( buf_to_write > system_buf_left ) //保证写入的原子性,要么一次性把buf_to_write全都写完，要么一个字节都不写！
 then
  block ;
  until ( buf_to_write else
  write ;
 fi
else
 write ; //不管怎样，就是不断写，知道把缓冲区写满了才阻塞
fi

管道写端 pipe_read.c

/pipe_read.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define FIFO_NAME "/tmp/my_fifo"
#define BUFFER_SIZE PIPE_BUF

int main()
{
int pipe_fd;
int res;

int open_mode = O_RDONLY;
char buffer[BUFFER_SIZE + 1];
int bytes = 0;

memset(buffer, '', sizeof(buffer));

printf("Process %d opeining FIFO O_RDONLYn", getpid());
pipe_fd = open(FIFO_NAME, open_mode);
printf("Process %d result %dn", getpid(), pipe_fd);

if (pipe_fd != -1)
{
do{
res = read(pipe_fd, buffer, BUFFER_SIZE);
bytes += res;
printf("%dn",bytes);
}while(res > 0);
close(pipe_fd);
}
else
{
exit(EXIT_FAILURE);
}

printf("Process %d finished, %d bytes readn", getpid(), bytes);
exit(EXIT_SUCCESS);
}

管道读端 pipe_write.c

//pipe_write.c

#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
  
#define FIFO_NAME "/tmp/my_fifo"  
#define BUFFER_SIZE PIPE_BUF  
#define TEN_MEG (1024 * 100)  
  
int main()  
{  
    int pipe_fd;  
    int res;  
    int open_mode = O_WRONLY;  
  
    int bytes = 0;  
    char buffer[BUFFER_SIZE + 1];  
  
    if (access(FIFO_NAME, F_OK) == -1)  
    {  
        res = mkfifo(FIFO_NAME, 0777);  
        if (res != 0)  
        {  
            fprintf(stderr, "Could not create fifo %sn", FIFO_NAME);  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
    }  
  
    printf("Process %d opening FIFO O_WRONLYn", getpid());  
    pipe_fd = open(FIFO_NAME, open_mode);  
    printf("Process %d result %dn", getpid(), pipe_fd);  
  
   //sleep(20);
    if (pipe_fd != -1)  
    {  
        while (bytes if (res == -1)  
            {  
                fprintf(stderr, "Write error on pipen");  
                exit(EXIT_FAILURE);  
            }  
            bytes += res;  
        printf("%dn",bytes);
        }  
        close(pipe_fd);  
    }  
    else  
    {  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    printf("Process %d finishn", getpid());  
    exit(EXIT_SUCCESS);  
}

本文介绍了linux系统中的有名管道（FIFO）的方法，包括有名管道的创建、打开、读写、关闭和删除等方面。通过了解和掌握这些知识，我们可以更好地使用有名管道（FIFO）来实现进程间通信，提高系统的性能和可靠性。当然，linux系统中的有名管道（FIFO）还有很多其他的特性和用法，需要我们不断地学习和探索。希望本文能给你带来一些启发和帮助。