Каналы (pipe,fifo)

Каналы - неименованные (pipe) и именованные (fifo) - это средство передачи данных между процессами.

Можно представить себе канал как небольшой кольцевой буфер в ядре операционной системы. С точки зрения процессов, канал выглядит как пара открытых файловых дескрипторов – один на чтение и один на запись (можно больше, но неудобно). Мы можем писать в канал до тех пор пока есть место в буфере, если место в буфере кончится – процесс будет заблокирован на записи. Можем читать из канала пока есть данные в буфере, если данных нет – процесс будет заблокирован на чтении. Если закрыть дескриптор отвечающий за запись, то попытка чтения покажет конец файла. Если закрыть дескриптор отвечающий за чтение, то попытка записи приведет к доставке сигнала SIGPIPE и ошибке EPIPE.

При использовании канала в программировании на языке shell

ls | grep abc

блокировки чтения/записи обеспечивают синхронизацию скорости выполнения двух программ и их одновременное завершение.

Понятия позиции чтения/записи для каналов не существует, поэтому запись всегда производится в хвост буфера, а чтение с головы.

Для архитектуры i386 размер буфера, связанного с каналом устанавливают кратным размеру страницы (4096 байт). В Linux в версиях до 2.6.11 использовалась одна страница (4 КБ), после - 16 страниц (65 КБ), с возможностью изменения через fcntl. POSIX определяет значение PIPE_BUF, задающего максимальный размер атомарной записи. В Linux PIPE_BUF равен 4096 байт.

Неименованные каналы

Неименованный канал создается вызовом pipe, который заносит в массив int [2] два дескриптора открытых файлов. fd[0] – открыт на чтение, fd[1] – на запись (вспомните STDIN == 0, STDOUT == 1). Канал уничтожается, когда будут закрыты все файловые дескрипторы ссылающиеся на него.

В рамках одного процесса pipe смысла не имеет, передать информацию о нем в произвольный процесс нельзя (имени нет, а номера файловых дескрипторов в каждом процессе свои). Единственный способ использовать pipe – унаследовать дескрипторы при вызове fork (и последующем exec). После вызова fork канал окажется открытым на чтение и запись в родительском и дочернем процессе. Т.е. теперь на него будут ссылаться 4 дескриптора. Теперь надо определиться с направлением передачи данных – если надо передавать данные от родителя к потомку, то родитель закрывает дескриптор на чтение, а потомок - дескриптор на запись.

int fd[2];
char c;
pipe(fd);
if( fork() ) { //родитель
    close(fd[0]);
    c=0;
    while(write(fd[1],&c,1) >0)  {
         c++;
     }
} else { //дочерний процесс
    dup2(fd[0],0); //подменили STDIN
    close(fd[0]);
    close(fd[1]);
    execl("prog","prog",NULL); //запустили новую программу для которой STDIN = pipe
}

Оставлять оба дескриптора незакрытыми плохо по двум причинам:

1. Родитель после записи не может узнать считал ли дочерний процесс данные, а если считал то сколько. Соответственно, если родитель попробует читать из pipe, то, вполне вероятно, он считает часть собственных данных, которые станут недоступными для потомка.

2. Если один из процессов завершился или закрыл свои дескрипторы, то второй этого не заметит, так как pipe на его стороне по-прежнему открыт на чтение и на запись.

Если надо организовать двунаправленную передачу данных, то можно создать два pipe.

Именованные каналы

Именованный канал FIFO доступен как объект в файловой системе. При этом, до открытия объекта FIFO на чтение, собственно коммуникационного объекта не создаётся. После открытия открытия объекта FIFO в одном процессе на чтение, а в другом на запись, возникает ситуация полностью эквивалентная использованию неименованного канала.

Объект FIFO в файловой системе создаётся вызовом функции int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);,

Основное отличие между pipe и FIFO - то, что pipe могут совместно использовать только процессы находящиеся в отношении родительский-дочерний, а FIFO может использовать любая пара процессов.