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管道与posix ipc mechanisms

1、管道

什么是管道？

管道是指一个进程与另一个进程之间的一种数据流连接，能够实现进程间的通信。在Unix系统中，管道是最古老的进程间通信机制之一。

2、匿名管道

2.1 匿名管道的本质

匿名管道在内核中开辟一段缓冲区，这段缓冲区没有标识符，也称为“写入缓冲区”。由于匿名管道没有标识符，难以被其他进程直接找到，因此只能在进程之间使用。

2.2 文件描述符数组（fd[2]）

• fd[0]：读端文件描述符，用于读取数据。
• fd[1]：写端文件描述符，用于写入数据。
• fd[2]：文件描述符数组，其真正作用是保存文件描述符。fd[0]和fd[1]是被pipe函数赋予的。

2.3 匿名管道的特性

• 只能用于亲缘关系进程间通信：管道只能在有直接或间接连接的两个进程之间传输数据。
• 单双工通信：数据可以按字节流式发送，读端可以决定读取的数据量。
• 提供流式服务：写端数据被立即传输至读端，读端可以选择读取的字节数和频率。
• 管道跟随进程生命周期：当写进程退出或终止，管道即被销毁。

2.4 容量限制

• 管道默认容量：64k字节。
• 缓冲区大小：4k字节。
• 由于写入字节数通常小于4k，写操作的原子性得到了保证。

2.5 匿名管道的应用示例

#include 
   
    
#include 
    
     
int main() {
    int fd[2];
    if (pipe(fd) < 0) {
        printf("pipe error\n");
        return -1;
    }
    // 打印文件描述符
    printf("fd[0]: %d\n", fd[0]);
    printf("fd[1]: %d\n", fd[1]);
    int child = fork();
    if (child < 0) {
        printf("fork error\n");
        return -1;
    } else if (child == 0) {
        // 子进程
        close(fd[0]);
        if (write(fd[1], "i love you", 11) < 0) {
            printf("write error\n");
            return -1;
        }
        return 0;
    } else {
        // 父进程
        close(fd[1]);
        char buff[1024] = {0};
        if (read(fd[0], buff, sizeof(buff) - 1) < 0) {
            printf("read error\n");
            return -1;
        }
        printf("%s\n", buff);
        return 0;
    }
}
    
   

3、int fcntl(int fd, int cmd, ...)

3.1 调用功能

int fcntl(int fd, int cmd, ...): 将cmd参数传递给fd，并执行相应操作。

• F_GETFL：获取文件描述符属性。
• F_SETFL：设置文件描述符属性。如需设置非阻塞属性，将flag"| O_NONBLOCK".

3.2 非阻塞操作

int flag = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);

3.3 非阻塞属性设置说明

• 写端非阻塞：关闭读端文件描述符。若尝试读取，进程将收到SIGPIPE信号。
• 读端非阻塞：关闭写端文件描述符。若尝试写入，进程将收到SIGPIPE信号。

4、命名管道

4.1 命名管道的本质

命名管道也称为fuse, 它在内核中开辟一段缓存区，并附带标识符。这使得任何具有相同标识符的进程都可以找到该缓存区，无需亲缘关系。

4.2 创建命名管道

• 命令行工具

  mkfifo filename

• 程序中创建

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

4.3 命名管道的区别

• 匿名管道：由pipe函数创建。
• 命名管道：由mkfifo函数创建。

4.4 命名管道的应用示例

#include 
   
    
#include 
    
     
#include 
     
      
int main() {
    int fifo = mkfifo("./fifo_test", 0664);
    if (fifo < 0) {
        printf("mkfifo error\n");
        return -1;
    }
    char buf[] = "Hello World\n";
    int fd = open("./fifo_test", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        printf("open error\n");
        return -1;
    }
    if (write(fd, buf, sizeof(buf) - 1) < 0) {
        printf("write error\n");
        return -1;
    }
    char buf2[1024] = {0};
    if (read(fd, buf2, sizeof(buf2) - 1) < 0) {
        printf("read error\n");
        return -1;
    }
    printf("%s", buf2);
    return 0;
}
     
    
   

5、管道本质

5.1 管道的内部结构

• Linux使用file结构和VFS inode来实现管道。
• 通过将两个file结构指向同一个inode，形成一个临时的缓冲区。

5.2 管道的读写机制

• 写进程将数据复制到共享的物理页面上。
• đọc进程从共享页面读取数据到自己的地址空间。
• 读写操作会唤醒对方，确保流程切换。

5.3 管道的优化

• POSIX标准定义了管道行为，确保不同系统间的一致性。
• 读写端的 suspend/resume 机制优化了资源利用率。