《unix高级环境编程》进程间通信——基于 STREAMS 的管道

左手的ㄟ右手 2022-08-14 01:57 178阅读 0赞

前面介绍的《[管道进程间通信][Link 1]》是半双工管道，本节基于 STREAMS 的管道是属于全双工的管道，半双工和全双工管道的区别如下：半双工只能在一端进行读或写；全双工可以在某一端同时进行读写；

![Center][]

### 基于 STREAMS 的管道 ###

基于 STREAMS 的管道是一个全双工的管道，单个 STREAMS 管道就能实现父、子进程之间的双向的数据流操作。下面是基于 STREAMS 的管道两种方式：

![Center 1][]

基于 STREAMS 管道的内部结构，它包含两个流首，每个流首的写队列（WQ）指向另一个流首的读队列（RQ），写入管道一端的数据被放入另一端的读队列的消息中。 STREAMS 管道是一个流，可将一个 STREAMS 模块压入到该管道的任一端，但是，如果在一端压入了一个模块，那么并不能在另一端弹出模块，若要删除，只能从原压入端删除。下图是基于 STREAMS 管道的内部结构和带模块的 STREAM 管道的内部结构：

![Center 2][]

创建基于 STREAMS 管道只是对普通管道进行接口实现，其实现如下：

#include "apue.h"
    
    /*
    * Return a STREAMS-based pipe, with the two file descirptors 
    * returned in fd[0] and fd[1].
    */
    int
    s_pipe(int fd[2])
    {
        return(pipe(fd));
    }

### 命名的 STREAMS 管道 ###

命名的 STREAMS 管道和 FIFO 管道一样克服了管道的局限性，使其可以在没有亲缘关系的进程间通信，命名的 STREAMS 管道机制通过一种途径，使得进程可以给予管道一个文件系统中的名字，使其能够实现双向通信，避免了 FIFO 管道的单向通信。为了使进程给予管道一个文件系统中的名字，可以调用函数 fattach 使进程给予 STREAMS 管道一个文件系统中的名字，其定义如下：

/* 命名STREAM 管道 */
    /*
     * 函数功能：使进程给予STREAM管道一个文件系统中的名字；
     * 返回值：若成功则返回0，若出错则返回-1；
     * 函数原型：
     */
    #include <stropts.h>
    int fattach(int filedes, const char *path);
    /*
     * 说明：
     * path必须是引用一个现有的文件，且对该文件具有写权限；
     */
    /*
     * 函数功能：撤销STREAM管道与一个文件系统中的名字的关联；
     * 返回值：若成功则返回0，若出错则返回-1；
     * 函数原型：
     */
    #include <stropts.h>
    int fdetach(const char *path);

一旦 STREAMS 管道连接到文件系统名字空间，那么原来使用该名字的底层文件就不再是可访问的。打开该名字的任一进程将能访问相应管道，而不是访问原先的文件。在调用 fattach 之前打开底层文件的任一进程可以继续访问该文件。确实，一般而言，这些进程并不知道该名字现在引用了另外一个文件。

在调用 fdetach 函数之后，先前依靠打开 path 而能访问 STREAMS 管道的进程仍可继续访问该管道，但是在此之后打开 path 的进程将访问驻留在文件系统中的底层文件。

### 唯一连接 ###

将 STREAMS 管道的一端连接到文件系统的名字空间后，如果多个进程都使用命名 STREAMS 管道与服务器进程通信时，会出现通信混乱。为了解决多进程访问出现的问题，在 STREAMS 管道压入一个模块，即服务器进程将模块压入到要被连接管道的一端。其实现如下图所示：

![Center 3][]

/*
     * 函数功能：创建在无关进程之间的唯一连接；
     * 函数原型：
     */
    #include "apue.h"
    
    int serv_listen(const char *name);
    /* 返回值：若成功则返回要侦听的文件描述符，出错则返回负值；*/
    
    int serv_accept(int listenfd, uid_t *uidptr);
    /* 返回值：若成功则返回新文件描述符，出错则返回负值 */
    
    int cli_conn(const char *name);
    /* 返回值：若成功则返回文件描述符，出错则返回负值 */
    
    /*
     * 说明：
     *
     * 服务器进程调用serv_listen函数声明要在文件系统中的某个路径侦听客户进程的连接请求；
     * 当客户端想要连接至服务器进程，就将使用该文件系统中的名字，该函数返回值是STREAMS管道的服务器进程端；
     *
     * 服务器进程调用serv_accept函数等待客户进程连接请求的到达，当一个请求到达时，系统自动创建一个新的STREAMS管道，
     * 该函数向服务器进程返回该STREAMS管道的一端，客户进程的有效用户ID存放在uidptr所指向的存储区中；
     *
     * 客户端进程调用cli_conn函数连接至服务器进程，客户端进程指定的参数name必须和服务器进程调用serv_listen函数时所用的参数name相同；
     * 该函数返回时，客户端进程得到连接至服务器进程的文件描述符；
     *
     */

上面三个函数的具体实现如下：这些函数可以套用在前面介绍《 [基于 socket 的编程][socket]》的框架中。

#include "apue.h"
    #include <fcntl.h>
    #include <stropts.h>
    
    /* pipe permissions: user rw, group rw, others rw */
    #define FILE_MODE    (S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH)
    
    /*
    * Establish an endpoint to listen for connect requests.
    * Returns fd if all ok, <0 on error
    */
    int 
    serv_listen(const char *name)
    {
        int     tempfd;
        int     fd[2];
    
        /* 
        * Create a file: mount point for fattach().
        */
        unlink(name);
        if((tempfd = creat(name, FIFO_MODE)) < 0)
            return(-1);
        if(close(tempfd) < 0)
            return(-2);
        if(pipe(fd) < 0)
            return(-3);
        
        /*
        * Push connld & fattach() on fd[1]. 
        */
        if(ioctl(fd[1], I_PUSH, "connld") < 0)
        {
            close(fd[0]);
            close(fd[1]);
            return(-4);
        }
        if(fattach(fd[1], name) < 0)
        {
            close(fd[0]);
            close(fd[1]);
            return(-5);
        }
        close(fd[1]);    /* fattach holds this end open */
        return(fd[0]);    /* fd[0] is where client connections arrive */
        
    }

#include "apue.h"
    #include <stropts.h>
    
    /*
    * Wait for a client connection to arrive, and accept it.
    * We also obtain the client's user ID.
    * Return new fd if all ok, <0 on error.
    */
    int serv_accept(int listenfd, uid_t *uidptr)
    {
        struct strrecvfd    recvfd;
        
        if(ioctl(listenfd, I_RECVFD, &recvfd) < 0)
            return(-1);    /* could be EINTR if signal caught */
        if(uidptr != NULL)
            *uidptr = recvfd.uid;    /* effective uid of caller */
        return(recvfd.fd);    /* return the new descriptor */
    }

#include "apue.h"
    #include <fcntl.h>
    #include <stropts.h>
    
    /*
    * Create a client endpoint and connect to a server.
    * Return fd if all ok, <0 on error.
    */
    
    int
    cli_conn(const char *name)
    {
        int    fd;
    
        /* open the mounted stream */
        if((fd = open(name, O_RDWR)) < 0)
            return(-1);
        if(isastream(fd) == 0)
        {
            close(fd);
            return(-2);
        }
        return(fd);
    }

参考资料：

《UNIX高级环境编程》

[Link 1]: http://blog.csdn.net/chenhanzhun/article/details/41174085
[Center]: /images/20220810/f4a60da081a143b5806660247a4b3f39.png
[Center 1]: /images/20220810/1a7594bb299e466f9060e45a3ad53a3d.png
[Center 2]: /images/20220810/b4d5e35b06314c54848bf90219ce76c0.png
[Center 3]: /images/20220810/5e073b945d0a481192b5db86f5b2d013.png
[socket]: http://blog.csdn.net/chenhanzhun/article/details/41318721