[apue] 神奇的 Solaris pipe
说到 pipe 大家可能都不陌生，经典的pipe调用配合fork进行父子进程通讯，简直就是unix程序的标配。
然而solaris上的pipe却和solaris一样是个奇葩(虽然solaris前途黯淡，但是不妨碍我们从它里面挖掘一些有价值的东西)，
有着和一般pipe诸多的不同之处，本文就来说说solaris上神奇的pipe和一般pipe之间的异同。
1.solaris pipe 是全双工的
一般系统上的pipe调用是半双工的，只能单向传递数据，如果需要双向通讯，我们一般是建两个pipe分别读写。像下面这样：
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 }
这个程序创建两个管道，fd1用来写请求，fd2用来读应答；对子进程而言，fd1重定向到标准输入，fd2重定向到标准输出，读取stdin中的数据相加然后写入stdout完成工作。父进程在取得应答后向标准输出写入结果。
如果在solaris上，可以直接用一个pipe同时读写，代码可以重写成这样：
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 }
代码清爽多了，不用去考虑fd1[0]和fd2[1]是啥意思是一件很养脑的事。
不过这样的代码只能在solaris上运行（听说bsd也支持?），如果考虑到可移植性，还是写上面的比较稳妥。
测试程序
2. solaris pipe 可以脱离父子关系建立
pipe 好用但是没法脱离fork使用，一般的pipe如果想让任意两个进程通讯，得借助它的变身fifo来实现。
关于fifo，详情可参考我之前写的一篇文章：
而solaris上的pipe没这么多事，加入两个调用：fattach / fdetach，你就可以像使用fifo一样使用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调用之后立即加入fattach调用，可以将管道关联到文件系统的一个文件名上，该文件必需事先存在，且可读可写。
在fattach调用之前这个文件(./pipe)是个普通文件，打开读写都是磁盘io；
在fattach调用之后，这个文件就变身成为一个管道了，打开读写都是内存流操作，且管道的另一端就是attach的那个进程。
子进程也需要改造一下，以便使用pipe通讯：
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);
打开pipe就如同打开普通文件一样，open直接搞定。当然前提是attach进程必需已经在运行。
当attach进程detach后，管道文件又将恢复它的本来面目。
脱离了父子关系的pipe其实可以建立多对一关系（多对多关系不可以，因为只能有一个进程attach）。
例如开4个cmd窗口，分别执行以下命令：
./padd2 abc
./add2
./add2
./add2
向attach进程(padd2)发送9个计算请求后，可以看到输出结果如下：
-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
再回来看各个open管道的进程，输出分别如下：
-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
可以发现一个很有趣的现象，就是各个add2进程基本是轮着来获取请求的，可以猜想底层的pipe可能有一个进程排队机制。
但是反过来使用pipe就不行了。就是说当启动一个add3（区别于上例的add2与padd2）作为fattach端打开pipe，启动多个padd3作为open端使用pipe，
然后通过命令行给padd3传递要相加的值，可以写一个脚本同时启动多个padd3，来查看效果：
#! /bin/sh
./padd3 1 1 &
./padd3 2 2 &
./padd3 3 3 &
./padd3 4 4 &
这个脚本中启动了4个加法进程，同时向add3发送4个加法请求，脚本中四个进程输出如下：
-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的请求被忽略了，转到add3查看输出：
-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
原来是3+3与4+4两个请求粘连了，导致add3识别成一个3+34的请求，所以出错了。
多运行几遍脚本后，发现还有这样的输出：
-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这头的输出：
-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。
经过一番推理，发现是4+4的请求取得了1+1请求的应答；1+1的请求取得了4+4的应答。
可见这样的结构还有一个弊端，同时请求的进程可能无法得到自己的应答，应答与请求之间相互错位。
所以想用fattach来实现多路请求的人还是洗洗睡吧，毕竟它就是一个pipe不是，还能给它整成tcp么？
而之前的例子可以，是因为请求是顺序发送的，上个请求得到应答后才发送下个请求，所以不存在这个例子的问题（但是实用性也不高）。
测试程序
3. solaris pipe 可以通过connld模块实现类似tcp的多路连接
第2条刚说不能实现多路连接，第3条就接着来打脸了，这是由于solaris上的pipe都是基于streams技术构建，
而streams是支持灵活的push、pop流处理模块的，再加上streams传递文件fd的能力，就可以支持类似tcp中accept的能力。
即每个open pipe文件的进程，得到的不是原来管道的fd，而是新创建管道的fd，而管道的另一侧fd则通过已有的管道发送到attach进程，
后者使用这个新的fd与客户进程通讯。为了支持多路连接，我们的代码需要重新整理一下，首先看客户端：
1 int fd;
2 char line[maxline];
3 fd = cli_conn("./pipe");
4 if (fd < 0)
5 return 0;
这里将open相关逻辑封装到了cli_conn函数中，以便之后复用：
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 }
可以看到与之前几乎没有变化，只是增加了isastream调用防止attach进程没有启动。
再来看下服务端：
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);
首先调用serv_listen建立基本pipe，然后不断在该pipe上调用serv_accept来获取独立的客户端连接。之后的逻辑与以前一样。
现在重点看下封装的这两个方法：
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封装了与建立基本pipe相关的代码，首先确保pipe文件存在且可读写，然后创建普通的pipe，在fattach调用之前必需先push一个connld模块到该pipe stream中。这样就大功告成！
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 }
当有客户端连接上来的时候，使用i_recvfd接收connld返回的另一个pipe的fd。之后的数据将在该pipe进行。
看了看，感觉和tcp的listen与accept别无二致，看来天下武功，至精深处都是英雄所见略同。
之前的多个客户端同时运行的例子再跑一遍，观察attach端输出：
-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。再看下脚本中四个进程的输出：
-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
也是没问题的，既没有出现多个请求粘连的情况，也没有出现请求与应答错位的情况。
测试程序
4.结论
solaris 上的pipe不仅可以全双工通讯、不依赖父子进程关系，还可以实现类似tcp那样分离多个客户端通讯连接的能力。
虽然solaris前途未卜，但是希望一些好的东西还是能流传下来，就比如这个神奇的pipe。
看完今天的文章，你是不是对特立独行的solaris又加深了一层了解？欢迎留言区说说你认识的solaris。
下一篇： 时间复杂度