PIPE和FIFO的使用及原理

PIPE和FIFO都是指管道，只是PIPE獨指匿名管道，F(xiàn)IFO獨指有名管道，我們先看一下管道的數(shù)據(jù)結構以及他們的使用方式：

• 1、匿名管道(pipe)
  Linux下進程通信 匿名管道pipe

• 2、命名管道(FIFO)
  Linux下進程通信 命名管道FIFO

//匿名管道（PIPE）
#include <unistd.h>
int pipe (int fd[2]); //創(chuàng)建pipe
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);   //寫數(shù)據(jù)
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);     //讀數(shù)據(jù)
?
//有名管道（FIFO）
#include<sys/stat.h>        
#include <unistd.h>
int mkfifo(const char *path, mode_t mode);  //創(chuàng)建fifo文件
int open(const char *pathname, int flags);  //打開fifo文件
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);   //寫數(shù)據(jù)
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);     //讀數(shù)據(jù)

匿名管道

可以看到，匿名管道通過pipe函數(shù)創(chuàng)建，pipe函數(shù)通過在內核的虛擬文件系統(tǒng)中創(chuàng)建兩個pipefs虛擬文件,并返回這兩個虛擬文件描述符，有了這兩個文件描述，我們就能進行跨進

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為什么pipe是匿名管道呢？因為pipefs文件是特殊的虛擬文件系統(tǒng)，并不會顯示在VFS的目錄中，所以用戶不可見，既然用戶不可見，那么又怎么能進行進程間通信呢？

因為pipe是匿名的，所以它只支持父子和兄弟進程之間的通信。通過fork創(chuàng)建父子進程或者通過clone創(chuàng)建兄弟進程的時候，會共享內存拷貝，

這時，子進程或兄弟進程就能在共享拷貝中拿到pipe的文件描述符進行通信了。我們通過下圖看一下通信的流程。

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FIFO

FIFO，F(xiàn)IFO是半雙工雙向通信，所以通過FIFO創(chuàng)建的管道既能讀也能寫，但是不能同時讀和寫，F(xiàn)IFO本質上是一個先進先出的隊列數(shù)據(jù)結構，最早放入的數(shù)據(jù)被最先讀出來，這樣的數(shù)據(jù)結構能保證信息交流的順序。

FIFO使用也很簡單，通過mkfifo函數(shù)創(chuàng)建管道，它同樣會在內核的虛擬文件系統(tǒng)中創(chuàng)建一個FIFO虛擬文件，F(xiàn)IFO文件在在VFS目錄中可見，所以他是有名管道，F(xiàn)IFO創(chuàng)建后，我們需要調用open函數(shù)打開這個fifo文件，然后才能通過write和read函數(shù)進行讀寫

pipe和fifo的異同點

相同點

• IPC的本質都是通過在內核創(chuàng)建虛擬文件，并且調用文件讀寫函數(shù)來進行數(shù)據(jù)通信
• 都只能接收字節(jié)流數(shù)據(jù)
• 都是半雙工通信
  不同點
• pipe是單向通信，fifo可以雙向通信
• pipe只能在父子，兄弟進程間通信，fifo沒有這個限制

管道的使用場景

匿名管道只能用在親屬進程之間通信，而且傳輸?shù)臄?shù)量小，一般只支持4K，不適合大數(shù)據(jù)的交換數(shù)據(jù)和不同進程間的通信，但是使用簡單方便，因為是單向通信，所以不存在并發(fā)問題。

雖然FIFO能在任意兩個進程間進行通信，但是因為FIFO是可以雙向通信的，這樣也不可避免的帶來了并發(fā)的問題，我們需要花費比較大的精力用來控制并發(fā)問題。

管道在Android系統(tǒng)中的使用場景

在Android 6.0 以下版本中，主線程Looper的喚醒就使用到了管道。

//文件-->/system/core/libutils/Looper.cpp
Looper::Looper(bool allowNonCallbacks) :
        mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks), mSendingMessage(false),
        mResponseIndex(0), mNextMessageUptime(LLONG_MAX) {
    int wakeFds[2];
    int result = pipe(wakeFds);  //創(chuàng)建pipe
?
    mWakeReadPipeFd = wakeFds[0];
    mWakeWritePipeFd = wakeFds[1];
?
    result = fcntl(mWakeReadPipeFd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "Could not make wake read pipe non-blocking.  errno=%d",
            errno);
?
    result = fcntl(mWakeWritePipeFd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "Could not make wake write pipe non-blocking.  errno=%d",
            errno);
?
    mIdling = false;
?
    // Allocate the epoll instance and register the wake pipe.
    mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mEpollFd < 0, "Could not create epoll instance.  errno=%d", errno);
?
    struct epoll_event eventItem;
    memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event)); // zero out unused members of data field union
    eventItem.events = EPOLLIN;
    eventItem.data.fd = mWakeReadPipeFd;
    result = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, mWakeReadPipeFd, & eventItem);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "Could not add wake read pipe to epoll instance.  errno=%d",
            errno);
}

從第上面代碼可以看到，native層的Looper的構造函數(shù)就使用了pipe來創(chuàng)建管道，通過mWakeReadPipeFd，mWakeWritePipeFd這兩個文件描述符的命名也看出，它是用來做喚醒的，我們就來看一下具體的喚醒的實現(xiàn)吧。

//文件-->/system/core/libutils/Looper.cpp
void Looper::wake() {
    ssize_t nWrite;
    do {
        nWrite = write(mWakeWritePipeFd, "W", 1);
    } while (nWrite == -1 && errno == EINTR);
    if (nWrite != 1) {
        if (errno != EAGAIN) {
            ALOGW("Could not write wake signal, errno=%d", errno);
        }
    }
}

可以看到，喚醒函數(shù)其實就是往管道m(xù)WakeWritePipeFd里寫入一個字母“W”，mWakeReadPipeFd接收到數(shù)據(jù)后，就會喚醒Looper。