Основы программирования в Linux - Нейл Мэтью

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.

Примечание

Обратите внимание на асимметрию в использовании O_NONBLOCK с O_RDONLY и O_WRONLY, заключающуюся в том, что неблокирующий вызов open для записи завершается аварийно, если ни один процесс не открыл канал для чтения, а неблокирующий вызов open для чтения не возвращает ошибку. На поведение вызова close флаг O_NONBLOCK влияния не оказывает.

Выполните упражнение 13.11.

Упражнение 13.11. Открытие файлов FIFO

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.

O_RDONLY и O_WRONLY без O_NONBLOCK

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.

Примечание

Когда процесс в ОС Linux заблокирован, он не потребляет ресурсы ЦП, поэтому этот метод синхронизации очень эффективен с точки зрения использования ЦП.

O_RDONLY с O_NONBLOCK и O_WRONLY

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.

Чтение из каналов FIFO и запись в них

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.

Упражнение 13.12. Связь процессов с помощью каналов FIFO

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