从 0 开始学习 Linux 系列之「20.有名管道 FIFO」

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

在 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.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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