[apue] 神奇的 Solaris pipe
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裏面挖掘一些有價值的東西)，
有着和一般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中的數據相加然後寫入stdout完成工作。父進程在取得應答後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
2. solaris pipe 可以脫離父子關係建立
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，得藉助它的變身fifo來實現。
關於FIFO，詳情可參考我之前寫的一篇文章：
而Solaris上的pipe沒這麼多事，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調用之後立即加入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調用之後，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。
脫離了父子關係的pipe其實可以建立多對一關係（多對多關係不可以，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進程基本是輪着來獲取請求的，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（區別於上例的add2與padd2）作為fattach端打開pipe，啟動多個padd3作為open端使用pipe，
然後通過命令行給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
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條就接着來打臉了，這是由於Solaris上的pipe都是基於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，
後者使用這個新的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;
這裏將open相關邏輯封裝到了cli_conn函數中，以便之後復用：
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，然後不斷在該pipe上調用serv_accept來獲取獨立的客戶端連接。之後的邏輯與以前一樣。
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，然後創建普通的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。之後的數據將在該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
4.結論
Solaris 上的pipe不僅可以全雙工通訊、不依賴父子進程關係，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。
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