Книга: Основы программирования в Linux

Доступ к FIFO

Доступ к FIFO

У именованных каналов есть одно очень полезное свойство: поскольку они появляются в файловой системе, их можно применять в командах на месте обычного имени файла. Прежде чем вы продолжите программирование с использованием созданного вами файла FIFO, давайте исследуем поведение такого файла с помощью обычных команд для работы с файлом (упражнение 13.10).

1. Сначала попробуйте прочесть (пустой) файл FIFO:

$ cat < /tmp/my_fifo

2. Теперь попытайтесь записать в FIFO. Вам придется использовать другой терминал, поскольку первая команда в данный момент "зависла" в ожидании появления каких-нибудь данных в FIFO:

$ echo "Hello World" > /tmp/my_fifo

Вы увидите вывод команды cat. Если не посылать никаких данных в канал FIFO, команда cat будет ждать до тех пор, пока вы не прервете ее выполнение, традиционно комбинацией клавиш <Ctrl>+<C>.

3. Можно выполнить обе команды одновременно, переведя первую в фоновый режим:

$ cat < /tmp/my_fifo &
[1] 1316
$ echo "Hello World" > /tmp/my_fifo
Hello World
[1]+ Done   cat </tmp/my_fifo
$

Как это работает

Поскольку в канале FIFO не было данных, обе команды, cat и echo, приостанавливают выполнение, ожидая, соответственно, поступления каких-нибудь данных и какого-либо процесса для их чтения.

На третьем шаге процесс cat с самого начала заблокирован в фоновом режиме. Когда echo делает доступными некоторые данные, команда cat читает их и выводит в стандартный вывод. Обратите внимание на то, что она затем завершается, не дожидаясь дополнительных данных. Программа cat не блокируется, т.к. канал уже закрылся, когда завершилась вторая команда, поместившая данные в FIFO, поэтому вызовы read в программе cat вернут 0 байтов, обозначая этим конец файла.

Теперь, когда вы посмотрели, как ведут себя каналы FIFO при обращении к ним с помощью программ командной строки, давайте рассмотрим более подробно программный интерфейс, предоставляющий больше возможностей управления операциями чтения и записи при организации доступа к FIFO.

Основное ограничение при открытии канала FIFO состоит в том, что программа не может открыть FIFO для чтения и записи с режимом O_RDWR. Если программа нарушит это ограничение, результат будет непредсказуемым. Это очень разумное ограничение, т.к., обычно канал FIFO применяется для передачи данных в одном направлении, поэтому нет нужды в режиме O_RDWR. Процесс стал бы считывать обратно свой вывод, если бы канал был открыт для чтения/записи.

Если вы действительно хотите передавать данные между программами в обоих направлениях, гораздо лучше использовать пару FIFO или неименованных каналов, по одному для каждого направления передачи, или (что нетипично) явно изменить направление потока данных, закрыв и снова открыв канал FIFO. Мы вернемся к двунаправленному обмену данными с помощью каналов FIFO чуть позже в этой главе.

Другое различие между открытием канала FIFO и обычного файла заключается в использовании флага open_flag (второй параметр функции open) со значением O_NONBLOCK. Применение этого режима open изменяет способ обработки не только вызова open, но и запросов read и write для возвращаемого файлового дескриптора.

Существует четыре допустимых комбинации значений O_RDONLY, O_WRONLY и O_NONBLOCK флага. Рассмотрим их все по очереди.

open(const char *path, O_RDONLY);

В этом случае вызов open блокируется, он не вернет управление программе до тех пор, пока процесс не откроет этот FIFO для записи. Это похоже на первый пример с командой cat.

open(const char *path, O_RDONLY | O_NONBLOCK);

Теперь вызов open завершится успешно и вернет управление сразу, даже если канал FIFO не был открыт для записи каким-либо процессом.

open(const char *path, O_WRONLY);

В данном случае вызов open будет заблокирован до тех пор, пока процесс не откроет тот же канал FIFO для чтения.

open(const char *path, O_WRONLY | O_NONBLOCK);

Этот вариант вызова всегда будет возвращать управление немедленно, но если ни один процесс не открыл этот канал FIFO для чтения, open вернет ошибку, -1, и FIFO не будет открыт. Если есть процесс, открывший FIFO для чтения, возвращенный файловый дескриптор может использоваться для записи в канал FIFO.

Выполните упражнение 13.11.

Теперь рассмотрим, как можно использовать поведение вызова open с флагом, содержащим O_NONBLOCK, для синхронизации двух процессов. Вместо применения нескольких программ-примеров вы напишите одну тестовую программу fifo2.c, которая позволит исследовать поведение каналов FIFO при передаче ей разных параметров.

1. Начните с заголовочных файлов, директивы #define и проверки правильности количества предоставленных аргументов командной строки:

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#define FIFO_NAME "/tmp/my_fifo"
int main(int argc, char *argv[]) {
 int res;
 int open_mode = 0;
 int i;
 if (argc < 2) {
  fprintf(stderr, "Usage: %s <some combination of
   O_RDONLY O_WRONLY O_NONBLOCK>n", *argv);
  exit(EXIT_FAILURE);
 }

2. Полагая, что программа передает тестовые данные, вы задаете параметр open_mode из следующих аргументов:

 for(i = 1; i <argc; i++) {
  if (strncmp(*++argv, "O_RDONLY", 8) == 0) open_mode |= O_RDONLY;
  if (strncmp(*argv, "O_WRONLY", 8) == 0) open_mode |= O_WRONLY;
  if (strncmp(*argv, "O_NONBLOCK", 10) == 0) open_mode |= O_NONBLOCK;
 }

3. Далее проверьте, существует ли канал FIFO, и при необходимости создайте его. Затем FIFO открывается, и пока программа засыпает на короткое время, выполняется результирующий вывод. В заключение FIFO закрывается.

 if (access(FIFO_NAME, F_OK) == -1) {
  res = mkfifo(FIFO_NAME, 0777);
  if (res != 0) {
   fprintf(stderr, "Gould not create fifo %sn", FIFO_NAME);
   exit(EXIT_FAILURE);
  }
 }
 printf("Process %d opening FIF0n", getpid());
 res = open(FIFO_NAME, open_mode);
 printf("Process %d result %dn", getpid(), res);
 sleep(5);
 if (res != -1) (void)close(res);
 printf("Process %d finishedn", getpid());
 exit(EXIT_SUCCESS);
}

Как это работает

Эта программа позволяет задать в командной строке комбинации значений O_RDONLY, O_WRONLY и O_NONBLOCK, которые вы хотите применить. Делается это сравнением известных строк с параметрами командной строки и установкой (с помощью |=) соответствующего флага при совпадении строки. В программе используется функция access, проверяющая, существует ли уже файл FIFO, и создающая его при необходимости.

Никогда не уничтожайте FIFO, т.к. у вас нет способа узнать, не использует ли FIFO другая программа.

Теперь у вас есть тестовая программа, и вы можете проверить комбинации пар. Обратите внимание на то, что первая программа, считыватель, помещена в фоновый режим.

$ ./fifo2 O_RDONLY &
[1] 152
Process 152 opening FIFO
$ ./fifo2 O_WRONLY
Process 153 opening FIFO
Process 152 result 3
Process 153 result 3
Process 152 finished
Process 153 finished

Это, наверное, самое распространенное применение именованных каналов. Оно позволяет читающему процессу стартовать и ждать в вызове open, а затем разрешает обеим программам продолжить выполнение, когда вторая программа откроет канал FIFO. Обратите внимание на то, что и читающий, и пишущий процессы были синхронизированы вызовом open.

В следующем примере читающий процесс выполняет вызов open и немедленно продолжается, даже если нет ни одного пишущего процесса. Пишущий процесс тоже немедленно продолжает выполняться после вызова open, потому что канал FIFO уже открыт для чтения.

$ ./fifо2 O_RDONLY O_NONBLOCK &
[1] 160
Process 160 opening fifo
$ ./fifo2 O_WRONLY
Process 161 opening FIFO
Process 160 result 3
Process 161 result 3
Process 160 finished
Process 161 finished
[1]+ Done   ./fifo2 O_RDONLY O_NONBLOCK

Эти два примера — вероятно, самые распространенные комбинации режимов open. Не стесняйтесь использовать программу-пример для экспериментов с другими возможными комбинациями.

Применение режима O_NONBLOCK влияет на поведение вызовов read и write в каналах FIFO.

Вызов read, применяемый для чтения из пустого блокирующего FIFO (открытого без флага O_NONBLOCK), будет ждать до тех пор, пока не появятся данные, которые можно прочесть. Вызов read, применяемый в неблокирующем FIFO, напротив, при отсутствии данных вернет 0 байтов.

Вызов write для записи в полностью блокирующий канал FIFO будет ждать до тех пор, пока данные не смогут быть записаны. Вызов write, применяемый к FIFO, который не может принять все байты, предназначенные для записи, либо:

? будет аварийно завершен, если был запрос на запись PIPE_BUF байтов или меньше и данные не могут быть записаны;

? запишет часть данных, если был запрос на запись более чем PIPE_BUF байтов, и вернет количество реально записанных байтов, которое может быть и 0.

Размер FIFO — очень важная характеристика. Существует накладываемый системой предел объема данных, которые могут быть в FIFO в любой момент времени. Он задается директивой #define PIPE_BUF, обычно находящейся в файле limits.h. В ОС Linux и многих других UNIX-подобных системах он обычно равен 4096 байт, но в некоторых системах может быть и 512 байт. Система гарантирует, что операции записи PIPE_BUF или меньшего количества байтов в канал FIFO, который был открыт O_WRONLY (т.е. блокирующий), запишут или все байты, или ни одного.

Несмотря на то, что этот предел не слишком важен в простом случае с одним записывающим каналом FIFO и одним читающим FIFO, очень распространено использование одного канала FIFO, позволяющего разным программам отправлять запросы к этому единственному каналу FIFO. Если несколько разных программ попытаются писать в FIFO в одно и то же время, жизненно важно, чтобы блоки данных из разных программ не перемежались друг с другом, т. е. каждая операция write должна быть "атомарной". Как это сделать?

Если вы ручаетесь, что все ваши запросы write адресованы блокирующему каналу FIFO и их размер меньше PIPE_BUF байтов, система гарантирует, что данные никогда не будут разделены. Вообще это неплохая идея — ограничить объем данных, передаваемых через FIFO блоком в PIPE_BUF байтов, если вы не используете единственный пишущий и единственный читающий процессы.

Выполните упражнение 13.12.

Для того чтобы увидеть, как несвязанные процессы могут общаться с помощью именованных каналов, вам понадобятся две отдельные программы fifo3.c и fifo4.c.

1. Первая программа — поставщик. Она создает канал, если требуется, и затем записывает в него данные как можно быстрее.

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <limits.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#define FIFO_NAME "/tmp/my_fifo"
#define BUFFER_SIZE PIPE_BUF
#define TEN_MEG (1024 * 1024 * 10)
int main() {
 int pipe_fd;
 int res;
 int open_mode = O_WRONLY;
 int bytes_sent = 0;
 char buffer[BUFFER_SIZE + 1];
 if (access(FIFO_NAME, F_OK) == -1) {
  res = mkfifo(FIFO_NAME, 0777);
  if (res != 0) {
   fprintf(stderr, "Could not create fifo %sn", FIFO_NAME);
   exit(EXIT_FAILURE);
  }
 }
 printf("Process %d opening FIFO O_WRONLYn", getpid());
 pipe_fd = open(FIFO_NAME, open_name);
 printf("Process %d result %dn", getpid(), pipe_fd);
 if (pipe_fd != -1) {
  while (bytes_sent < TEN_MEG) {
   res = write(pipe_fd, buffer, BUFFER_SIZE);
   if (res == -1) {
    fprintf(stderr, "Write error on pipen);
    exit(EXIT_FAILURE);
   }
   bytes_sent += res;
  }
  (void)close(pipe_fd);
 } else {
  exit(EXIT_FAILURE);
 }
 printf("Process %d finishedn", getpid());
 exit(EXIT_SUCCESS);
}

2. Вторая программа, потребитель, гораздо проще. Она читает и выбрасывает данные из канала FIFO.

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <limits.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#define FIFO_NAME "/tmp/my_fifo"
#define BUFFER_SIZE PIPE_BUF
int main() {
 int pipe_fd;
 int res;
 int open_mode = O_RDONLY;
 char buffer[BUFFER_SIZE - 1];
 int bytes_read = 0;
 memset(buffer, '', sizeof(buffer));
 printf("Process %d opening FIFO O_RDONLYn", getpid());
 pipe_fd = open(FIFO_NAME, open_mode); 
 printf("Prосеss %d result %dn", getpid(), pipe_fd);
 if (pipe_fd != -1) {
  do {
   res = read(pipe_fd, buffer,BUFFER_SIZE);
   bytes_read += res;
  } while (res > 0);
  (void)close(pipe_fd);
 } else {
  exit(EXIT_FAILURE);
 }
 printf("Process %d finished, %d bytes readn", getpid(), bytes_read);
 exit(EXIT_SUCCESS);
}

Когда вы выполните эти программы одновременно, с использованием команды time для хронометража читающего процесса, то получите следующий (с некоторыми пропусками для краткости) вывод:

$ ./fifo3 &
[1] 375
Process 375 opening FIFO O_WRONLY
$ time ./fifo4
Process 377 opening FIFO O_RDONLY
Process 375 result 3
Process 377 result 3
Process 375 finished
Process 377 finished, 10485760 bytes read
real 0m0.053s
user 0m0.020s
sys  0m0.040s
[1]+ Done   ./fifo3

Как это работает

Обе программы применяют FIFO в режиме блокировки. Вы запускаете первой программу fifo3 (пишущий процесс/поставщик), которая блокируется, ожидая, когда читающий процесс откроет канал FIFO. Когда программа fifo4 (потребитель) запускается, пишущий процесс разблокируется и начинает записывать данные в канал. В это же время читающий процесс начинает считывать данные из канала.

Вывод команды time показывает, что читающему процессу потребовалось гораздо меньше одной десятой секунды для считывания 10 Мбайт данных в процесс. Это свидетельствует о том, что каналы, по крайней мере, их реализация в современных версиях Linux, могут быть эффективным средством обмена данными между программами.

Оглавление книги