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8.2??管道
8.2.1??管道概述
本書在第2章中介紹“ps”的命令時(shí)提到過管道，當(dāng)時(shí)指出了管道是Linux中一種很重要的通信方式，它是把一個(gè)程序的輸出直接連接到另一個(gè)程序的輸入，這里仍以第2章中的“ps?–ef?|?grep?ntp”為例，描述管道的通信過程，如圖8.2所示。
圖8.2?管道的通信過程
管道是Linux中進(jìn)程間通信的一種方式。這里所說的管道主要指無名管道，它具有如下特點(diǎn)。
n 它只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間的通信（也就是父子進(jìn)程或者兄弟進(jìn)程之間）。
n 它是一個(gè)半雙工的通信模式，具有固定的讀端和寫端。
n 管道也可以看成是一種特殊的文件，對(duì)于它的讀寫也可以使用普通的read()和write()等函數(shù)。但是它不是普通的文件，并不屬于其他任何文件系統(tǒng)，并且只存在于內(nèi)核的內(nèi)存空間中。
8.2.2??管道系統(tǒng)調(diào)用
1．管道創(chuàng)建與關(guān)閉說明
管道是基于文件描述符的通信方式，當(dāng)一個(gè)管道建立時(shí)，它會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)文件描述符fds[0]和fds[1]，其中fds[0]固定用于讀管道，而fd[1]固定用于寫管道，如圖8.3所示，這樣就構(gòu)成了一個(gè)半雙工的通道。
圖8.3??Linux中管道與文件描述符的關(guān)系
管道關(guān)閉時(shí)只需將這兩個(gè)文件描述符關(guān)閉即可，可使用普通的close()函數(shù)逐個(gè)關(guān)閉各個(gè)文件描述符。
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注意 |
當(dāng)一個(gè)管道共享多對(duì)文件描述符時(shí)，若將其中的一對(duì)讀寫文件描述符都刪除，則該管道就失效。 |
2．管道創(chuàng)建函數(shù)
創(chuàng)建管道可以通過調(diào)用pipe()來實(shí)現(xiàn)，表8.1列出了pipe()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。
表8.1 pipe()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)
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所需頭文件 |
#include?<unistd.h> |
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函數(shù)原型 |
int?pipe(int?fd[2]) |
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函數(shù)傳入值 |
fd[2]：管道的兩個(gè)文件描述符，之后就可以直接操作這兩個(gè)文件描述符 |
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函數(shù)返回值 |
成功：0 |
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出錯(cuò)：-1 |
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3．管道讀寫說明
用pipe()函數(shù)創(chuàng)建的管道兩端處于一個(gè)進(jìn)程中，由于管道是主要用于在不同進(jìn)程間通信的，因此這在實(shí)際應(yīng)用中沒有太大意義。實(shí)際上，通常先是創(chuàng)建一個(gè)管道，再通過fork()函數(shù)創(chuàng)建一子進(jìn)程，該子進(jìn)程會(huì)繼承父進(jìn)程所創(chuàng)建的管道，這時(shí)，父子進(jìn)程管道的文件描述符對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8.4所示。
此時(shí)的關(guān)系看似非常復(fù)雜，實(shí)際上卻已經(jīng)給不同進(jìn)程之間的讀寫創(chuàng)造了很好的條件。父子進(jìn)程分別擁有自己的讀寫通道，為了實(shí)現(xiàn)父子進(jìn)程之間的讀寫，只需把無關(guān)的讀端或?qū)懚说奈募枋龇P(guān)閉即可。例如在圖8.5中將父進(jìn)程的寫端fd[1]和子進(jìn)程的讀端fd[0]關(guān)閉。此時(shí)，父子進(jìn)程之間就建立起了一條“子進(jìn)程寫入父進(jìn)程讀取”的通道。
圖8.4??父子進(jìn)程管道的文件描述符對(duì)應(yīng)關(guān)系?????????圖8.5??關(guān)閉父進(jìn)程fd[1]和子進(jìn)程fd[0]
同樣，也可以關(guān)閉父進(jìn)程的fd[0]和子進(jìn)程的fd[1]，這樣就可以建立一條“父進(jìn)程寫入子進(jìn)程讀取”的通道。另外，父進(jìn)程還可以創(chuàng)建多個(gè)子進(jìn)程，各個(gè)子進(jìn)程都繼承了相應(yīng)的fd[0]和fd[1]，這時(shí)，只需要關(guān)閉相應(yīng)端口就可以建立其各子進(jìn)程之間的通道。
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想一想 |
為什么無名管道只能在具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間建立？ |
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4．管道使用實(shí)例
在本例中，首先創(chuàng)建管道，之后父進(jìn)程使用fork()函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程，之后通過關(guān)閉父進(jìn)程的讀描述符和子進(jìn)程的寫描述符，建立起它們之間的管道通信。
/*?pipe.c?*/
#include?<unistd.h>
#include?<sys/types.h>
#include?<errno.h>
#include?<stdio.h>
#include?<stdlib.h>
#define?MAX_DATA_LEN???256
#define?DELAY_TIME?1
int?main()
{
????pid_t?pid;
????int?pipe_fd[2];
????char?buf[MAX_DATA_LEN];
????const?char?data[]?=?"Pipe?Test?Program";
????int?real_read,?real_write;
????
????memset((void*)buf,?0,?sizeof(buf));
????/*?創(chuàng)建管道?*/
????if?(pipe(pipe_fd)?<?0)
????{
????????printf("pipe?create?errorn");
????????exit(1);
????}
????
????/*?創(chuàng)建一子進(jìn)程?*/
????if?((pid?=?fork())?==?0)
????{
????????/*?子進(jìn)程關(guān)閉寫描述符，并通過使子進(jìn)程暫停1s等待父進(jìn)程已關(guān)閉相應(yīng)的讀描述符?*/
????????close(pipe_fd[1]);
????????sleep(DELAY_TIME?*?3);
????????
????????/*?子進(jìn)程讀取管道內(nèi)容?*/
????????if?((real_read?=?read(pipe_fd[0],?buf,?MAX_DATA_LEN))?>?0)
????????{
????????????printf("%d?bytes?read?from?the?pipe?is?'%s'n",?real_read,?buf);
????????}
????????
????????/*?關(guān)閉子進(jìn)程讀描述符?*/
????????close(pipe_fd[0]);
????????exit(0);
????}
????else?if?(pid?>?0)
????{
????????/*?父進(jìn)程關(guān)閉讀描述符，并通過使父進(jìn)程暫停1s等待子進(jìn)程已關(guān)閉相應(yīng)的寫描述符?*/
????????close(pipe_fd[0]);
????????sleep(DELAY_TIME);
????????if((real_write?=?write(pipe_fd[1],?data,?strlen(data)))?!=??-1)
????????{
????????????printf("Parent?wrote?%d?bytes?:?'%s'n",?real_write,?data);
????????}
????
????????/*關(guān)閉父進(jìn)程寫描述符*/
????????close(pipe_fd[1]);
????
????????/*收集子進(jìn)程退出信息*/
????????waitpid(pid,?NULL,?0);
????????exit(0);
????}
}
將該程序交叉編譯，下載到開發(fā)板上的運(yùn)行結(jié)果如下所示：
$?./pipe
Parent?wrote?17?bytes?:?'Pipe?Test?Program'
17?bytes?read?from?the?pipe?is?'Pipe?Test?Program'
5．管道讀寫注意點(diǎn)
n 只有在管道的讀端存在時(shí)，向管道寫入數(shù)據(jù)才有意義。否則，向管道寫入數(shù)據(jù)的進(jìn)程將收到內(nèi)核傳來的SIGPIPE信號(hào)（通常為Broken?pipe錯(cuò)誤）。
n 向管道寫入數(shù)據(jù)時(shí)，Linux將不保證寫入的原子性，管道緩沖區(qū)一有空閑區(qū)域，寫進(jìn)程就會(huì)試圖向管道寫入數(shù)據(jù)。如果讀進(jìn)程不讀取管道緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，那么寫操作將會(huì)一直阻塞。
n 父子進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)，它們的先后次序并不能保證，因此，在這里為了保證父子進(jìn)程已經(jīng)關(guān)閉了相應(yīng)的文件描述符，可在兩個(gè)進(jìn)程中調(diào)用sleep()函數(shù)，當(dāng)然這種調(diào)用不是很好的解決方法，在后面學(xué)到進(jìn)程之間的同步與互斥機(jī)制之后，請(qǐng)讀者自行修改本小節(jié)的實(shí)例程序。
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8.2.4??標(biāo)準(zhǔn)流管道
1．標(biāo)準(zhǔn)流管道函數(shù)說明
與Linux的文件操作中有基于文件流的標(biāo)準(zhǔn)I/O操作一樣，管道的操作也支持基于文件流的模式。這種基于文件流的管道主要是用來創(chuàng)建一個(gè)連接到另一個(gè)進(jìn)程的管道，這里的“另一個(gè)進(jìn)程”也就是一個(gè)可以進(jìn)行一定操作的可執(zhí)行文件，例如，用戶執(zhí)行“l(fā)s?-l”或者自己編寫的程序“./pipe”等。由于這一類操作很常用，因此標(biāo)準(zhǔn)流管道就將一系列的創(chuàng)建過程合并到一個(gè)函數(shù)popen()中完成。它所完成的工作有以下幾步。
n 創(chuàng)建一個(gè)管道。
n fork()一個(gè)子進(jìn)程。
n 在父子進(jìn)程中關(guān)閉不需要的文件描述符。
n 執(zhí)行exec函數(shù)族調(diào)用。
n 執(zhí)行函數(shù)中所指定的命令。
這個(gè)函數(shù)的使用可以大大減少代碼的編寫量，但同時(shí)也有一些不利之處，例如，它不如前面管道創(chuàng)建的函數(shù)那樣靈活多樣，并且用popen()創(chuàng)建的管道必須使用標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)進(jìn)行操作，但不能使用前面的read()、write()一類不帶緩沖的I/O函數(shù)。
與之相對(duì)應(yīng)，關(guān)閉用popen()創(chuàng)建的流管道必須使用函數(shù)pclose()來關(guān)閉該管道流。該函數(shù)關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)I/O流，并等待命令執(zhí)行結(jié)束。
2．函數(shù)格式
popen()和pclose()函數(shù)格式如表8.2和表8.3所示。
表8.2 popen()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)
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所需頭文件 |
#include?<stdio.h> |
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函數(shù)原型 |
FILE?*popen(const?char?*command,?const?char?*type) |
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函數(shù)傳入值 |
command：指向的是一個(gè)以null結(jié)束符結(jié)尾的字符串，這個(gè)字符串包含一個(gè)shell命令，并被送到/bin/sh以-c參數(shù)執(zhí)行，即由shell來執(zhí)行 |
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type： |
“r”：文件指針連接到command的標(biāo)準(zhǔn)輸出，即該命令的結(jié)果產(chǎn)生輸出 |
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函數(shù)返回值 |
成功：文件流指針 |
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出錯(cuò)：-1 |
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表8.3 pclose()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)
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所需頭文件 |
#include?<stdio.h> |
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函數(shù)原型 |
int?pclose(FILE?*stream) |
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函數(shù)傳入值 |
stream：要關(guān)閉的文件流 |
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函數(shù)返回值 |
成功：返回由popen()所執(zhí)行的進(jìn)程的退出碼 |
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出錯(cuò)：-1 |
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3．函數(shù)使用實(shí)例
在該實(shí)例中，使用popen()來執(zhí)行“ps?-ef”命令。可以看出，popen()函數(shù)的使用能夠使程序變得短小精悍。
/*?standard_pipe.c?*/
#include?<stdio.h>
#include?<unistd.h>
#include?<stdlib.h>
#include?<fcntl.h>
#define?BUFSIZE?1024
int?main()
{
????FILE?*fp;
????char?*cmd?=?"ps?-ef";
????char?buf[BUFSIZE];
????
????/*調(diào)用popen()函數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的命令*/
????if?((fp?=?popen(cmd,?"r"))?==?NULL)
????????{
????????printf("Popen?errorn");
????????exit(1);
????}
????
????while?((fgets(buf,?BUFSIZE,?fp))?!=?NULL)
????{
????????printf("%s",buf);
????}
????pclose(fp);
????exit(0);
}
下面是該程序在目標(biāo)板上的執(zhí)行結(jié)果。
$?./standard_pipe
??PID?TTY??????????Uid????????Size?State?Command
????1??????????????root???????1832???S???init
????2??????????????root??????????0???S???[keventd]
????3??????????????root??????????0???S???[ksoftirqd_CPU0]
????……
???74??????????????root???????1284???S???./standard_pipe
???75??????????????root???????1836???S???sh?-c?ps?-ef
???76??????????????root???????2020???R???ps?–ef
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8.2.5??FIFO
1．有名管道說明
前面介紹的管道是無名管道，它只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間，這就大大地限制了管道的使用。有名管道的出現(xiàn)突破了這種限制，它可以使互不相關(guān)的兩個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)彼此通信。該管道可以通過路徑名來指出，并且在文件系統(tǒng)中是可見的。在建立了管道之后，兩個(gè)進(jìn)程就可以把它當(dāng)作普通文件一樣進(jìn)行讀寫操作，使用非常方便。不過值得注意的是，F(xiàn)IFO是嚴(yán)格地遵循先進(jìn)先出規(guī)則的，對(duì)管道及FIFO的讀總是從開始處返回?cái)?shù)據(jù)，對(duì)它們的寫則把數(shù)據(jù)添加到末尾，它們不支持如lseek()等文件定位操作。
有名管道的創(chuàng)建可以使用函數(shù)mkfifo()，該函數(shù)類似文件中的open()操作，可以指定管道的路徑和打開的模式。
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小知識(shí) |
用戶還可以在命令行使用“mknod?管道名?p”來創(chuàng)建有名管道。 |
在創(chuàng)建管道成功之后，就可以使用open()、read()和write()這些函數(shù)了。與普通文件的開發(fā)設(shè)置一樣，對(duì)于為讀而打開的管道可在open()中設(shè)置O_RDONLY，對(duì)于為寫而打開的管道可在open()中設(shè)置O_WRONLY，在這里與普通文件不同的是阻塞問題。由于普通文件的讀寫時(shí)不會(huì)出現(xiàn)阻塞問題，而在管道的讀寫中卻有阻塞的可能，這里的非阻塞標(biāo)志可以在open()函數(shù)中設(shè)定為O_NONBLOCK。下面分別對(duì)阻塞打開和非阻塞打開的讀寫進(jìn)行討論。
（1）對(duì)于讀進(jìn)程。
n 若該管道是阻塞打開，且當(dāng)前FIFO內(nèi)沒有數(shù)據(jù)，則對(duì)讀進(jìn)程而言將一直阻塞到有數(shù)據(jù)寫入。
n 若該管道是非阻塞打開，則不論FIFO內(nèi)是否有數(shù)據(jù)，讀進(jìn)程都會(huì)立即執(zhí)行讀操作。即如果FIFO內(nèi)沒有數(shù)據(jù)，則讀函數(shù)將立刻返回0。
（2）對(duì)于寫進(jìn)程。
n 若該管道是阻塞打開，則寫操作將一直阻塞到數(shù)據(jù)可以被寫入。
n 若該管道是非阻塞打開而不能寫入全部數(shù)據(jù)，則讀操作進(jìn)行部分寫入或者調(diào)用失敗。
2．mkfifo()函數(shù)格式
表8.4列出了mkfifo()函數(shù)的語(yǔ)法要點(diǎn)。
表8.4 mkfifo()函數(shù)語(yǔ)法要點(diǎn)
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所需頭文件 |
#include?<sys/types.h> |
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函數(shù)原型 |
int?mkfifo(const?char?*filename,mode_t?mode) |
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函數(shù)傳入值 |
filename：要?jiǎng)?chuàng)建的管道 |
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函數(shù)傳入值 |
mode： |
O_RDONLY：讀管道 |
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O_WRONLY：寫管道 |
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O_RDWR：讀寫管道 |
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O_NONBLOCK：非阻塞 |
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函數(shù)傳入值 |
mode： |
O_CREAT：如果該文件不存在，那么就創(chuàng)建一個(gè)新的文件，并用第三個(gè)參數(shù)為其設(shè)置權(quán)限 |
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O_EXCL：如果使用O_CREAT時(shí)文件存在，那么可返回錯(cuò)誤消息。這一參數(shù)可測(cè)試文件是否存在 |
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函數(shù)返回值 |
成功：0? |
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出錯(cuò)：-1 |
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表8.5再對(duì)FIFO相關(guān)的出錯(cuò)信息做一歸納，以方便用戶查錯(cuò)。
表8.5 FIFO相關(guān)的出錯(cuò)信息
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EACCESS |
參數(shù)filename所指定的目錄路徑無可執(zhí)行的權(quán)限 |
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EEXIST |
參數(shù)filename所指定的文件已存在 |
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ENAMETOOLONG |
參數(shù)filename的路徑名稱太長(zhǎng) |
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ENOENT |
參數(shù)filename包含的目錄不存在 |
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ENOSPC |
文件系統(tǒng)的剩余空間不足 |
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ENOTDIR |
參數(shù)filename路徑中的目錄存在但卻非真正的目錄 |
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EROFS |
參數(shù)filename指定的文件存在于只讀文件系統(tǒng)內(nèi) |
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3．使用實(shí)例
下面的實(shí)例包含了兩個(gè)程序，一個(gè)用于讀管道，另一個(gè)用于寫管道。其中在讀管道的程序里創(chuàng)建管道，并且作為main()函數(shù)里的參數(shù)由用戶輸入要寫入的內(nèi)容。讀管道的程序會(huì)讀出用戶寫入到管道的內(nèi)容，這兩個(gè)程序采用的是阻塞式讀寫管道模式。
以下是寫管道的程序：
/*?fifo_write.c?*/
#include?<sys/types.h>
#include?<sys/stat.h>
#include?<errno.h>
#include?<fcntl.h>
#include?<stdio.h>
#include?<stdlib.h>
#include?<limits.h>
#define?MYFIFO??????????????"/tmp/myfifo"???????/*?有名管道文件名*/
#define?MAX_BUFFER_SIZE????????PIPE_BUF????????/*定義在于limits.h中*/
int?main(int?argc,?char?*?argv[])?/*參數(shù)為即將寫入的字符串*/
{
????int?fd;
????char?buff[MAX_BUFFER_SIZE];
????int?nwrite;
????
????if(argc?<=?1)
????{
????????printf("Usage:?./fifo_write?stringn");
????????exit(1);
????}
????sscanf(argv[1],?"%s",?buff);
????
????/*?以只寫阻塞方式打開FIFO管道?*/
????fd?=?open(MYFIFO,?O_WRONLY);
????if?(fd?==?-1)
????{
????????printf("Open?fifo?file?errorn");
????????exit(1);
????}
????
????/*向管道中寫入字符串*/
????if?((nwrite?=?write(fd,?buff,?MAX_BUFFER_SIZE))?>?0)
????{
????????printf("Write?'%s'?to?FIFOn",?buff);
????}
????close(fd);
????exit(0);
}
以下是讀管道程序：
/*fifo_read.c*/
（頭文件和宏定義同fifo_write.c）
int?main()
{
????char?buff[MAX_BUFFER_SIZE];
????int??fd;
????int??nread;
????/*?判斷有名管道是否已存在，若尚未創(chuàng)建，則以相應(yīng)的權(quán)限創(chuàng)建*/
????if?(access(MYFIFO,?F_OK)?==?-1)?
????{
????????if?((mkfifo(MYFIFO,?0666)?<?0)?&&?(errno?!=?EEXIST))
????????{
????????????printf("Cannot?create?fifo?filen");
????????????exit(1);
????????}
????}
????/*?以只讀阻塞方式打開有名管道?*/
????fd?=?open(MYFIFO,?O_RDONLY);
????if?(fd?==?-1)
????{
????????printf("Open?fifo?file?errorn");
????????exit(1);
????}
????
????while?(1)
????{
????????memset(buff,?0,?sizeof(buff));
????????if?((nread?=?read(fd,?buff,?MAX_BUFFER_SIZE))?>?0)
????????{
????????????printf("Read?'%s'?from?FIFOn",?buff);
????????}????????
????}????
????close(fd);????
????exit(0);
}????
為了能夠較好地觀察運(yùn)行結(jié)果，需要把這兩個(gè)程序分別在兩個(gè)終端里運(yùn)行，在這里首先啟動(dòng)讀管道程序。讀管道進(jìn)程在建立管道之后就開始循環(huán)地從管道里讀出內(nèi)容，如果沒有數(shù)據(jù)可讀，則一直阻塞到寫管道進(jìn)程向管道寫入數(shù)據(jù)。在啟動(dòng)了寫管道程序后，讀進(jìn)程能夠從管道里讀出用戶的輸入內(nèi)容，程序運(yùn)行結(jié)果如下所示。
終端一:
$?./fifo_read
Read?'FIFO'?from?FIFO
Read?'Test'?from?FIFO
Read?'Program'?from?FIFO
……
終端二：
$?./fifo_write?FIFO
Write?'FIFO'?to?FIFO
$?./fifo_write?Test
Write?'Test'?to?FIFO
$?./fifo_write?Program
Write?'Program'?to?FIFO
……
