[apue] 神奇的 Solaris pipe

看看 solaris 這個奇葩為什么這么特立獨行

說到 pipe 大家可能都不陌生，經典的pipe調用配合fork進行父子進程通訊，簡直就是Unix程序的標配。

然而Solaris上的pipe卻和Solaris一樣是個奇葩(雖然Solaris前途黯淡，但是不妨礙我們從它里面挖掘一些有價值的東西)，

有著和一般pipe諸多的不同之處，本文就來說說Solaris上神奇的pipe和一般pipe之間的異同。

1.solaris pipe 是全雙工的

一般系統上的pipe調用是半雙工的，只能單向傳遞數據，如果需要雙向通訊，我們一般是建兩個pipe分別讀寫。像下面這樣：

 1     int n, fd1[2], fd2[2]; 
 2     if (pipe (fd1) < 0 || pipe(fd2) < 0)
 3         err_sys ("pipe error"); 
 4 
 5     char line[MAXLINE]; 
 6     pid_t pid = fork (); 
 7     if (pid < 0) 
 8         err_sys ("fork error"); 
 9     else if (pid > 0)
10     {
11         close (fd1[0]);  // write on pipe1 as stdin for co-process
12         close (fd2[1]);  // read on pipe2 as stdout for co-process
13         while (fgets (line, MAXLINE, stdin) != NULL) { 
14             n = strlen (line); 
15             if (write (fd1[1], line, n) != n)
16                 err_sys ("write error to pipe"); 
17             if ((n = read (fd2[0], line, MAXLINE)) < 0)
18                 err_sys ("read error from pipe"); 
19 
20             if (n == 0) { 
21                 err_msg ("child closed pipe"); 
22                 break;
23             }
24             line[n] = 0; 
25             if (fputs (line, stdout) == EOF)
26                 err_sys ("fputs error"); 
27         }
28 
29         if (ferror (stdin))
30             err_sys ("fputs error"); 
31 
32         return 0; 
33     }
34     else { 
35         close (fd1[1]); 
36         close (fd2[0]); 
37         if (fd1[0] != STDIN_FILENO) { 
38             if (dup2 (fd1[0], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO)
39                 err_sys ("dup2 error to stdin"); 
40             close (fd1[0]); 
41         }
42 
43         if (fd2[1] != STDOUT_FILENO) { 
44             if (dup2 (fd2[1], STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO)
45                 err_sys ("dup2 error to stdout"); 
46             close (fd2[1]); 
47         }
48 
49         if (execl (argv[1], "add2", (char *)0) < 0)
50             err_sys ("execl error"); 
51     }

這個程序創建兩個管道，fd1用來寫請求，fd2用來讀應答；對子進程而言，fd1重定向到標準輸入，fd2重定向到標準輸出，讀取stdin中的數據相加然后寫入stdout完成工作。父進程在取得應答后向標準輸出寫入結果。

如果在Solaris上，可以直接用一個pipe同時讀寫，代碼可以重寫成這樣：

 1 int fd[2];
 2 if (pipe(fd) < 0) 
 3     err_sys("pipe error\n");
 4 
 5 char line[MAXLINE];
 6 pid_t pid = fork();
 7 if (pid < 0)
 8     err_sys("fork error\n");
 9 else if (pid > 0)
10 {
11     close(fd[1]);
12     while (fgets(line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
13         n = strlen(line);
14         if (write(fd[0], line, n) != n)
15             err_sys("write error to pipe\n")
16         if ((n = read(fd[0], line, MAXLINE)) < 0) 
17             err_sys("read error from pipe\n");
18 
19         if (n == 0) 
20             err_sys("child closed pipe\n");
21         line[n] = 0;
22         if (fputs(line, stdout) == EOF) 
23             err_sys("fputs error\n");
24     }
25 
26     if (ferror(stdin))
27         err_sys("fputs error\n");
28 
29     return 0;
30 }
31 else {
32     close(fd[0]);
33     if (fd[1] != STDIN_FILENO)
34         if (dup2(fd[1], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO)
35             err_sys("dup2 error to stdin\n");
36 
37     if (fd[1] != STDOUT_FILENO) {
38         if (dup2(fd[1], STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO)
39             err_sys("dup2 error to stdout\n");
40         close(fd[1]);
41     }
42 
43     if (execl(argv[1], argv[2], (char *)0) < 0)
44         err_sys("execl error\n");
45 
46 }

代碼清爽多了，不用去考慮fd1[0]和fd2[1]是啥意思是一件很養腦的事。

不過這樣的代碼只能在Solaris上運行（聽說BSD也支持?），如果考慮到可移植性，還是寫上面的比較穩妥。

測試程序

padd2.c

add2.c

2. solaris pipe 可以脫離父子關系建立

pipe 好用但是沒法脫離fork使用，一般的pipe如果想讓任意兩個進程通訊，得借助它的變身fifo來實現。

關于FIFO，詳情可參考我之前寫的一篇文章：

[apue] FIFO：不是文件的文件

而Solaris上的pipe沒這么多事，加入兩個調用：fattach / fdetach，你就可以像使用FIFO一樣使用pipe了：

 1 int fd[2];
 2 if (pipe(fd) < 0)
 3     err_sys("pipe error\n");
 4 
 5 if (fattach(fd[1], "./pipe") < 0)
 6     err_sys("fattach error\n");
 7 
 8 printf("attach to file pipe ok\n");
 9 
10 close(fd[1]);
11 char line[MAXLINE];
12 while (fgets(line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
13     n = strlen(line);
14     if (write(fd[0], line, n) != n)
15         err_sys("write error to pipe\n");
16     if ((n = read(fd[0], line, MAXLINE)) < 0)
17         err_sys("read error from pipe\n");
18 
19     if (n == 0) 
20         err_sys("child closed pipe\n");
21 
22     line[n] = 0;
23     if (fputs(line, stdout) == EOF)
24         err_sys("fputs error\n");
25 }
26 
27 if (ferror(stdin))
28     err_sys("fputs error\n");
29 
30 if (fdetach("./pipe") < 0)
31     err_sys("fdetach error\n");
32 
33 printf("detach from file pipe ok\n");

在pipe調用之后立即加入fattach調用，可以將管道關聯到文件系統的一個文件名上，該文件必需事先存在，且可讀可寫。

在fattach調用之前這個文件(./pipe)是個普通文件，打開讀寫都是磁盤IO；

在fattach調用之后，這個文件就變身成為一個管道了，打開讀寫都是內存流操作，且管道的另一端就是attach的那個進程。

子進程也需要改造一下，以便使用pipe通訊：

 1 int fd, n, int1, int2;
 2 char line[MAXLINE];
 3 fd = open("./pipe", O_RDWR);
 4 if (fd < 0)
 5     err_sys("open file pipe failed\n");
 6 
 7 printf("open file pipe ok, fd = %d\n", fd);
 8 while ((n = read(fd, line, MAXLINE)) > 0) {
 9     line[n] = 0;
10     if (sscanf(line, "%d%d", &int1, &int2) == 2) {
11         sprintf(line, "%d\n", int1 + int2);
12         n = strlen(line);
13         if (write(fd, line, n) != n)
14             err_sys("write error\n");
15 
16         printf("i am working on %s\n", line);
17     }
18     else {
19         if (write(fd, "invalid args\n", 13) != 13)
20             err_sys("write msg error\n");
21     }
22 }
23 
24 close(fd);

打開pipe就如同打開普通文件一樣，open直接搞定。當然前提是attach進程必需已經在運行。

當attach進程detach后，管道文件又將恢復它的本來面目。

脫離了父子關系的pipe其實可以建立多對一關系（多對多關系不可以，因為只能有一個進程attach）。

例如開4個cmd窗口，分別執行以下命令：

./padd2 abc
./add2
./add2
./add2

向attach進程(padd2)發送9個計算請求后，可以看到輸出結果如下：

-bash-3.2$ ./padd2 abc
attach to file pipe ok
1 1
2
2 2
4
3 3 
6
4 4
8
5 5
10
6 6 
12
7 7 
14
8 8
16
9 9
18

再回來看各個open管道的進程，輸出分別如下：

-bash-3.2$ ./add2
open file pipe ok, fd = 3
source: 1 1
i am working on 2
source: 4 4
i am working on 8
source: 7 7 
i am working on 14

-bash-3.2$ ./add2
open file pipe ok, fd = 3
source: 2 2
i am working on 4
source: 5 5
i am working on 10
source: 9 9
i am working on 18

-bash-3.2$ ./add2
open file pipe ok, fd = 3
source: 2 2
i am working on 4
source: 5 5
i am working on 10
source: 9 9
i am working on 18

-bash-3.2$ ./add2
open file pipe ok, fd = 3
source: 3 3
i am working on 6
source: 6 6
i am working on 12
source: 8 8 
i am working on 16

可以發現一個很有趣的現象，就是各個add2進程基本是輪著來獲取請求的，可以猜想底層的pipe可能有一個進程排隊機制。

但是反過來使用pipe就不行了。就是說當啟動一個add3（區別于上例的add2與padd2）作為fattach端打開pipe，啟動多個padd3作為open端使用pipe，

然后通過命令行給padd3傳遞要相加的值，可以寫一個腳本同時啟動多個padd3，來查看效果：

#! /bin/sh
./padd3 1 1 &
./padd3 2 2 &
./padd3 3 3 &
./padd3 4 4 &

這個腳本中啟動了4個加法進程，同時向add3發送4個加法請求，腳本中四個進程輸出如下：

-bash-3.2$ ./padd3.sh
-bash-3.2$ open file pipe ok, fd = 3
1 1 = 2
open file pipe ok, fd = 3
2 2 = 4
open file pipe ok, fd = 3
open file pipe ok, fd = 3
4 4 = 37

可以看到3+3的請求被忽略了，轉到add3查看輸出：

-bash-3.2$ ./add3
attach to file pipe ok
source: 1 1
i am working on 1 + 1 = 2
source: 2 2
i am working on 2 + 2 = 4
source: 3 34 4
i am working on 3 + 34 = 37

原來是3+3與4+4兩個請求粘連了，導致add3識別成一個3+34的請求，所以出錯了。

多運行幾遍腳本后，發現還有這樣的輸出：

-bash-3.2$ ./padd3.sh
-bash-3.2$ open file pipe ok, fd = 3
4 4 = 2
open file pipe ok, fd = 3
2 2 = 4
open file pipe ok, fd = 3
3 3 = 6
open file pipe ok, fd = 3
1 1 = 8

4+4=2？1+1=8?再看add3這頭的輸出：

-bash-3.2$ ./add3
attach to file pipe ok
source: 1 1
i am working on 1 + 1 = 2
source: 2 2
i am working on 2 + 2 = 4
source: 3 3
i am working on 3 + 3 = 6
source: 4 4
i am working on 4 + 4 = 8

完全正常呢。

經過一番推理，發現是4+4的請求取得了1+1請求的應答；1+1的請求取得了4+4的應答。

可見這樣的結構還有一個弊端，同時請求的進程可能無法得到自己的應答，應答與請求之間相互錯位。

所以想用fattach來實現多路請求的人還是洗洗睡吧，畢竟它就是一個pipe不是，還能給它整成tcp么？

而之前的例子可以，是因為請求是順序發送的，上個請求得到應答后才發送下個請求，所以不存在這個例子的問題（但是實用性也不高）。

測試程序

padd3.c

add3.c

3. solaris pipe 可以通過connld模塊實現類似tcp的多路連接

第2條剛說不能實現多路連接，第3條就接著來打臉了，這是由于Solaris上的pipe都是基于STREAMS技術構建，

而STREAMS是支持靈活的PUSH、POP流處理模塊的，再加上STREAMS傳遞文件fd的能力，就可以支持類似tcp中accept的能力。

即每個open pipe文件的進程，得到的不是原來管道的fd，而是新創建管道的fd，而管道的另一側fd則通過已有的管道發送到attach進程，

后者使用這個新的fd與客戶進程通訊。為了支持多路連接，我們的代碼需要重新整理一下，首先看客戶端：

1 int fd;
2 char line[MAXLINE];
3 fd = cli_conn("./pipe");
4 if (fd < 0)
5     return 0;

這里將open相關邏輯封裝到了cli_conn函數中，以便之后復用：

 1 int cli_conn(const char *name)
 2 {
 3     int fd;
 4     if ((fd = open(name, O_RDWR)) < 0) {
 5         printf("open pipe file failed\n");
 6         return -1;
 7     }
 8 
 9     if (isastream(fd) == 0) {
10         close(fd);
11         return -2;
12     }
13 
14     return fd;
15 }

可以看到與之前幾乎沒有變化，只是增加了isastream調用防止attach進程沒有啟動。

再來看下服務端：

 1 int listenfd = serv_listen("./pipe");
 2 if (listenfd < 0)
 3     return 0;
 4 
 5 int acceptfd = 0;
 6 int n = 0, int1 = 0, int2 = 0;
 7 char line[MAXLINE];
 8 uid_t uid = 0;
 9 while ((acceptfd = serv_accept(listenfd, &uid)) >= 0)
10 {
11     printf("accept a client, fd = %d, uid = %ld\n", acceptfd, uid);
12     while ((n = read(acceptfd, line, MAXLINE)) > 0) {
13         line[n] = 0;
14         printf("source: %s\n", line);
15         if (sscanf(line, "%d%d", &int1, &int2) == 2) {
16             sprintf(line, "%d\n", int1 + int2);
17             n = strlen(line);
18             if (write(acceptfd, line, n) != n) {
19                 printf("write error\n");
20                 return 0;
21             }
22             printf("i am working on %d + %d = %s\n", int1, int2, line);
23         }
24         else {
25             if (write(acceptfd, "invalid args\n", 13) != 13) {
26                 printf("write msg error\n");
27                 return 0;
28             }
29         }
30     }
31 
32     close(acceptfd);
33 }
34 
35 if (fdetach("./pipe") < 0) {
36     printf("fdetach error\n");
37     return 0;
38 }
39 
40 printf("detach from file pipe ok\n");
41 close(listenfd);

首先調用serv_listen建立基本pipe，然后不斷在該pipe上調用serv_accept來獲取獨立的客戶端連接。之后的邏輯與以前一樣。

現在重點看下封裝的這兩個方法：

 1 int serv_listen(const char *name)
 2 {
 3     int tempfd;
 4     int fd[2];
 5     unlink(name);
 6     tempfd = creat(name, FIFO_MODE);
 7     if (tempfd < 0) {
 8         printf("creat failed\n");
 9         return -1;
10     }
11 
12     if (close(tempfd) < 0) {
13         printf("close temp fd failed\n");
14         return -2;
15     }
16 
17     if (pipe(fd) < 0) {
18         printf("pipe error\n");
19         return -3;
20     }
21 
22     if (ioctl(fd[1], I_PUSH, "connld") < 0) {
23         printf("I_PUSH connld failed\n");
24         close(fd[0]);
25         close(fd[1]);
26         return -4;
27     }
28 
29     printf("push connld ok\n");
30     if (fattach(fd[1], name) < 0) {
31         printf("fattach error\n");
32         close(fd[0]);
33         close(fd[1]);
34         return -5;
35     }
36 
37     printf("attach to file pipe ok\n");
38     close(fd[1]);
39     return fd[0];
40 }

serv_listen封裝了與建立基本pipe相關的代碼，首先確保pipe文件存在且可讀寫，然后創建普通的pipe，在fattach調用之前必需先PUSH一個connld模塊到該pipe STREAM中。這樣就大功告成！

 1 int serv_accept(int listenfd, uid_t *uidptr)
 2 {
 3     struct strrecvfd recvfd;
 4     if (ioctl(listenfd, I_RECVFD, &recvfd) < 0) {
 5         printf("I_RECVFD from listen fd failed\n");
 6         return -1;
 7     }
 8 
 9     if (uidptr)
10         *uidptr = recvfd.uid;
11 
12     return recvfd.fd;
13 }

當有客戶端連接上來的時候，使用I_RECVFD接收connld返回的另一個pipe的fd。之后的數據將在該pipe進行。

看了看，感覺和tcp的listen與accept別無二致，看來天下武功，至精深處都是英雄所見略同。

之前的多個客戶端同時運行的例子再跑一遍，觀察attach端輸出：

-bash-3.2$ ./add4
push connld ok
attach to file pipe ok
accept a client, fd = 4, uid = 101
source: 1 1
i am working on 1 + 1 = 2
accept a client, fd = 4, uid = 101
source: 2 2
i am working on 2 + 2 = 4
accept a client, fd = 4, uid = 101
source: 3 3
i am working on 3 + 3 = 6
accept a client, fd = 4, uid = 101
source: 4 4
i am working on 4 + 4 = 8

一切正常。再看下腳本中四個進程的輸出：

-bash-3.2$ ./padd4.sh
-bash-3.2$ open file pipe ok, fd = 3
1 1 = 2
open file pipe ok, fd = 3
2 2 = 4
open file pipe ok, fd = 3
3 3 = 6
open file pipe ok, fd = 3
4 4 = 8

也是沒問題的，既沒有出現多個請求粘連的情況，也沒有出現請求與應答錯位的情況。

測試程序

padd4.c

add4.c

4.結論

Solaris 上的pipe不僅可以全雙工通訊、不依賴父子進程關系，還可以實現類似tcp那樣分離多個客戶端通訊連接的能力。

雖然Solaris前途未卜，但是希望一些好的東西還是能流傳下來，就比如這個神奇的pipe。

看完今天的文章，你是不是對特立獨行的Solaris又加深了一層了解？歡迎留言區說說你認識的Solaris。

posted @ 2019-11-27 11:28 goodcitizen 閱讀(675) 評論(0) 收藏舉報

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[apue] 神奇的 Solaris pipe

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