面试题：C语言中Linux命名管道并发访问的基本原理

Question

请简要阐述在Linux环境下，使用C语言进行命名管道并发访问时涉及的基本原理，包括命名管道的创建、读写操作与并发控制的联系。

Answer 1

命名管道创建

1. 原理：命名管道（FIFO）是一种特殊的文件类型，它在文件系统中有对应的文件名，可用于不同进程间通信。在Linux环境下使用mkfifo函数创建命名管道。
2. 示例代码：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    if (mkfifo("myfifo", 0666) == -1) {
        perror("mkfifo");
        return 1;
    }
    return 0;
}

读写操作

1. 读操作：
   • 原理：使用open函数以只读方式打开命名管道，然后用read函数读取数据。如果管道中无数据，read操作默认会阻塞，直到有数据写入。
   • 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("myfifo", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    char buffer[1024];
    ssize_t bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (bytesRead == -1) {
        perror("read");
    } else {
        buffer[bytesRead] = '\0';
        printf("Read: %s\n", buffer);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

2. 写操作：
   • 原理：使用open函数以只写方式打开命名管道，然后用write函数写入数据。如果管道已满（对于有大小限制的管道情况），write操作可能会阻塞，直到有空间可用。
   • 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("myfifo", O_WRONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    const char *message = "Hello, named pipe!";
    ssize_t bytesWritten = write(fd, message, strlen(message));
    if (bytesWritten == -1) {
        perror("write");
    }
    close(fd);
    return 0;
}

并发控制联系

1. 阻塞问题：在并发访问命名管道时，读写操作的阻塞特性是并发控制的基础。读操作阻塞等待数据，写操作阻塞等待空间，这避免了数据竞争。
2. 同步机制：为了更精细的并发控制，可结合信号量、互斥锁等同步机制。例如，使用信号量来控制对命名管道的访问次数，确保同一时间只有有限个进程可以进行读写操作，防止数据混乱。
3. 原子操作：虽然命名管道本身提供了一定程度的原子性保证（如小于PIPE_BUF字节的写操作是原子的），但在复杂并发场景下，仍需额外的同步手段来确保数据的完整性和一致性。