管道读写规则及 PIPE_BUF 涉及的写原子性问题

结论：
一、当管道内没有数据可读时
O_NONBLOCK disable：read 调用阻塞，直到有可读数据
O_NONBLOCK enable： read 调用返回 -1，errno 值为 EAGAIN

二、当管道已满或者剩余空间不够时
O_NONBLOCK disable：write 调用阻塞，直到有进程读走数据，管道中有足够大的可用空间
O_NONBLOCK enable： write 调用返回 -1，errno 值为 EAGAIN

匿名管道默认是阻塞模式，可通过以下示例修改为非阻塞模式

int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

命名管道的阻塞模式和非阻塞模式设定参见以下示例

open("fifo", flags | O_NONBLOCK);  //非阻塞
open("fifo", flags);  //阻塞

三、
如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则 read 调用返回 0
如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则 write 调用会产生信号 SIGPIPE，进而可能导致写进程退出

四、man 7 pipe
1、当要写入的数据量n <= PIPE_BUF 时，linux 将保证写入的原子性
O_NONBLOCK disable：如果管道中有足够大的可用空间便写入；否则 write 调用阻塞，直到管道中有足够大的可用空间
O_NONBLOCK enable： 如果管道中有足够大的可用空间便写入；否则 write 调用返回 -1，errno 值为 EAGAIN
2、当要写入的数据量n > PIPE_BUF 时，linux 将不再保证写入的原子性
O_NONBLOCK disable：write 直到将所有数据写入管道后返回，期间可能有其他进程穿插写入
O_NONBLOCK enable： 如果管道已满，write 调用返回 -1，errno 值为 EAGAIN；否则实际写入的数据量为 1 ~ n，即部分写入，期间可能有其他进程穿插写入
在这里插入图片描述

验证如下：
1、O_NONBLOCK disable：read 调用阻塞

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>int main(void)
{int    fds[2];pid_t  pid;time_t t;char   buf[10] = {0};if(0 != pipe(fds)){perror("pipe error");exit(EXIT_FAILURE);}pid = fork();if (-1 == pid){perror("fork error");exit(EXIT_FAILURE);}if (0 == pid){close(fds[0]);  //关闭读端sleep(10);write(fds[1], "hello", 5);exit(EXIT_SUCCESS);}close(fds[1]);  //关闭写端t = time(NULL);read(fds[0], buf, sizeof(buf));t = time(NULL) - t;printf("receive data: %s, interval time: %ds\n", buf, t);waitpid(pid, NULL, 0);return 0;
}
/** receive data: hello, interval time: 10s*/

2、O_NONBLOCK enable：read 调用返回 -1，errno 值为 EAGAIN(11)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>int main(void)
{int    fds[2], flags;pid_t  pid;char   buf[10] = {0};if(0 != pipe(fds)){perror("pipe error");exit(EXIT_FAILURE);}pid = fork();if (-1 == pid){perror("fork error");exit(EXIT_FAILURE);}if (0 == pid){close(fds[0]);sleep(10);write(fds[1], "hello", 5);exit(EXIT_SUCCESS);}close(fds[1]);flags = fcntl(fds[0], F_GETFL);fcntl(fds[0], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);if (-1 == read(fds[0], buf, sizeof(buf))){perror("read error");printf("errno: %d\n", errno);waitpid(pid, NULL, 0);exit(EXIT_FAILURE);}printf("receive data: %s\n", buf);waitpid(pid, NULL, 0);return 0;
}
/** read error: Resource temporarily unavailable* errno: 11*/

3、O_NONBLOCK disable：write 调用阻塞

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main(void)
{int  fds[2];char buf[4096];int  count = 0;if(0 != pipe(fds)){perror("pipe error");exit(EXIT_FAILURE);}memset(buf, 'A', sizeof(buf));while(1){count += write(fds[1], buf, sizeof(buf));printf("writed data length: %d\n", count);}return 0;
}
/*writed data length: 4096writed data length: 8192writed data length: 12288writed data length: 16384writed data length: 20480writed data length: 24576writed data length: 28672writed data length: 32768writed data length: 36864writed data length: 40960writed data length: 45056writed data length: 49152writed data length: 53248writed data length: 57344writed data length: 61440writed data length: 65536阻塞卡住*/

4、O_NONBLOCK enable： write 调用返回 -1，errno 值为 EAGAIN(11)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main(void)
{int  fds[2], flags;char buf[4096];int  ret, count = 0;if(0 != pipe(fds)){perror("pipe error");exit(EXIT_FAILURE);}flags = fcntl(fds[1], F_GETFL);fcntl(fds[1], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);memset(buf, 'A', sizeof(buf));while(1){ret = write(fds[1], buf, sizeof(buf));if (-1 == ret){perror("write error");printf("errno: %d\n", errno);exit(EXIT_FAILURE);}count += ret;printf("writed data length: %d\n", count);}return 0;
}
/*writed data length: 4096writed data length: 8192writed data length: 12288writed data length: 16384writed data length: 20480writed data length: 24576writed data length: 28672writed data length: 32768writed data length: 36864writed data length: 40960writed data length: 45056writed data length: 49152writed data length: 53248writed data length: 57344writed data length: 61440writed data length: 65536write error: Resource temporarily unavailableerrno: 11*/

5、所有管道写端对应的文件描述符被关闭，read 调用返回 0
6、所有管道读端对应的文件描述符被关闭，write 调用会产生信号 SIGPIPE

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