44 管道和 FIFO

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管道

管道：一般指的是匿名管道。

创建方式：

  1. 可以用 pipe() 创建，通过 fork() 或者 UNIX 域套接字共享给其他进程。
  2. 也可以通过 popen() 创建子进程。

popen() 和 system() 有一些差异：

  1. system() 会为调用进程忽略 SIGINT 和 SIGTERM，但是 popen() 不会忽略这些信号，因为调用进程没有阻塞等待子进程。
  2. popen() 不会阻塞 SIGCHLD。如果阻塞了，那么在对应的 pclose() 之前就不能正常接受子进程退出的消息了。但这也有个问题：wait() 可能会接收到 popen() 创建的子进程的消息，这样调用 pclose() 的时候就会返回 -1 并设置 errno 为 ECHLD。
  3. popen() 和 pclose() 配套。除了关闭文件描述符之外，pclose() 还会回收子进程，所以不能用 fclose() 代替 pclose()。

管道的一些性质

这些性质都是匿名 / 命名管道都有的。

1. 块缓冲

管道是块设备，因此 stdio 库的输出时会使用块缓冲（想要及时刷新缓冲区可以：1. 手动刷新；2. 用 setbuf() 修改缓冲模式；3. 分配伪终端使写入按照字符设备的方式刷新）。

2. 单向传输

管道的传输方向是单向的，如果想要双向数据传输，可以用 UNIX domain stream socket pairs（socketpair() 系统调用）。

3. 容量有限

管道的本质是缓冲区，所以容量是有上限的。Linux 2.6.11 起，管道的存储能力是 64KB（更早的内核固定使用一页作为缓冲区）。可以通过 fcntl(fd, F_SETPIPE_SZ, size) 来修改这个限制，非特权进程可以将这个值修改到 /proc/sys/fs/pipe-max-size 的数值以内的一个数。

/proc/sys/fs/pipe-max-size 的默认大小是 1M，只有特权进程（CAP_SYS_RESOURCE）才能修改：

eric@debian:~$ cat /proc/sys/fs/pipe-max-size
1048576

4. 数据少时保证原子写入

一次性写入不超过 PIPE_BUF 字节就是原子写入，如果写成功可以保证内容不会和其他写者交叉。这在有多个写者的情况下很有用。SUSv3 要求这个值至少为 512，Linux 上这个值是 4096。PIPE_BUF 可以通过宏获取，也可以通过 fpathconf(fd, _PC_PIPE_BUF) 来获取，我在虚拟机上测试用 fpathconf() 获取，也是 4096。

5. 如果写 / 读时管道的另外一端没有读 / 写者（已关闭）会怎么样？

如果管道没有读者（以可读方式打开管道的进程，可以是 O_RDWR，但损害可移植性），用 write() 写入数据会收到 SIGPIPE 信号并返回 EPIPE（如果没有被 SIGPIPE 杀死）。

如果管道没有写者，而且管道中也没有数据了，用 read() 从中读数据会返回 0（读取的字节数），否则会阻塞。Man 手册：If the file offset is at or past the end of file, no bytes are read, and read() returns zero.

命名管道（FIFO）

FIFO：命名管道，除了在文件系统中可以访问之外其他和普通管道相似。

用 mkfifo [-m mode] pathname 可以创建命名管道。还有一个系统调用 mkfifo(3)。

打开命名管道有同步的语义：只有同时有读者和写者打开一个命名管道时，双方的 open() 才能返回，否则将一直阻塞。将 FIFO 文件重定向到可执行程序中也有同步语义：

eric@debian:~/tlpi/fifo$ cat main.c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
  long ret = fpathconf(0, _PC_PIPE_BUF);
  printf("ret = %ld\n", ret);
}
eric@debian:~/tlpi/fifo$ gcc main.c 
eric@debian:~/tlpi/fifo$ ./a.out < myfifo # 因为没有进程以写入方式打开 myfifo，所以阻塞
^C

有的系统（包括 Linux）支持以 O_RDWR 方式打开命名管道，这样进程同时作为读者和写者，对命名管道的打开就不会阻塞。但是这是非标准的，建议避免依赖这种写法。SUSv3 明确指出以 O_RDWR 标记打开一个 FIFO 的结果是未知的。

例子：使用 FIFO 作为 IPC 工具

C-S 架构，有一个公知的文件路径作为服务器的命名管道，客户端通过向其中写数据来向服务器发送请求。为了防止不同客户端之间的数据交叉，每个客户端都应该有一个用于和服务器通信的独立 FIFO（客户端可以打开 FIFO 之后用 unlink() 删掉以防止 FIFO 残留），和服务器取得联系之后就更换用于通信的 FIFO。

实现要点：

  1. 服务器先以只读方式打开 FIFO（可能会阻塞），然后以只写方式打开 FIFO（获得第二个 fd）。持有可写的 fd 可以保证之后的 read() 在没数据时会阻塞，而不会失败返回。例子中的服务器就是想要在没数据时阻塞，这样做可以简化处理逻辑。
  2. 客户端通过 atexit() 或者提前 unlink() 来保证用于客户端 - 服务器通信的 FIFO 被及时删除。

在管道和 FIFO 上使用非阻塞 I/O

如果以 O_NONBLOCK 打开 FIFO，且管道的另外一端没有被打开，那么在只读 / 只写的方式下打开有不同的效果（前面已经说了以同时读写的方式打开是非标准的）：

  1. 如果是非阻塞 + 只读打开，那么就不需要等待写者加入。因为读取总是可以返回 0 个字节来表示 end-of-file。
  2. 如果是非阻塞 + 只写打开，如果没有读者加入就会失败，并将 errno 设置为 ENXIO。这是因为在没有读者的情况下允许了非阻塞打开 FIFO，那么今后写入的时候就会收到 SIGPIPE 信号，所以这种情况下，FIFO 被设计为在打开的时候就立即返回错误。

O_NONBLOCK 除了影响 FIFO 的打开行为之外，还会影响读写，因此可能需要在打开 FIFO 之后用 fcntl() 决定启用 / 关闭 O_NONBLOCK 标志。

对于管道和 FIFO，O_NONBLOCK 只会改变本该阻塞时读写的行为：

至于向管道 / FIFO 中写数据，也是差不多的表格，这里省略。在写入数据量小于等于原子写入保证时，如果写不下 + 非阻塞，则会立即失败并设置 errno 为 EAGAIN；如果能写下则全部写入。如果写入数据量大于原子写入保证，又是非阻塞调用，写多少算多少，完全写不下则失败并设置 errno 为 EAGAIN。