Linux--进程间通信之命名管道

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前言

上一篇文章介绍匿名管道的进程间通信只适合在具有血缘关系的进程间进行通信，但是如果我们想让两个不相关的进程实现通信，使用匿名管道显然已经不太合适，这时候就可以使用另一种方案来实现让不同的进程间进行通信，这就是这篇文章要介绍的——命名管道。

概念

命名管道（Named Pipes），也称为FIFO（First In, First Out），是一种进程间通信的机制。它允许不相关的进程在一个系统中通过文件系统来进行通信。

命名管道的创建

命名管道的创建可以使用命令行工具（如mkfifo命令）或者在编程语言中的调用系统调用接口（如mkfifo函数）来创建命名管道。与匿名管道一样，命名管道也存在于内存中，命名管道是一种特殊类型的文件，类似于普通管道。数据通过命名管道传输时不会写入磁盘，而是在内存中进行传递。命名管道允许多个进程通过使用相同的管道名称进行通信，而不仅仅是两个进程之间的通信。与普通管道一样，命名管道中的数据也是临时存储在内存中的。

在命令行中可以直接使用命令mkfifo [pipename]来创建我们需要的命名管道文件。

或者可以使用系统调用接口int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode)来创建所需要的管道文件，如下代码。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
    umask(0);
    int ret = mkfifo("namepipe", 0666);
    if (ret == -1)
    {
        std::cout << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cout << "create success!" << std::endl;
    }
    return 0;
}

因为命名管道在创建后也是一种文件，所以在使用mkfifo系统调用接口时需要注意给定权限。文件最终的权限为mode & ~umask，因此在创建之前我们可以先将umask置0。另外使用mkfifo创建命名管道如果成功则返回0，失败返回-1并设置错误码，所以在创建时可以接收返回值做差错处理。

命名管道特性

命名管道与匿名管道类似，允许两个或多个进程通过读取和写入管道文件来进行通信。一个进程可以将数据写入管道，而另一个进程可以从管道中读取这些数据。也是一种半双工通信，数据按照写入的顺序以字节流的形式读取。如果没有进程打开管道的另一端进行读取，写入进程可能会被阻塞，直到有其他进程来读取数据。同样，如果没有进程写入管道，尝试读取管道的进程也会被阻塞。命名管道的声明周期是持久的，直到被明确删除为止。命名管道不适用于网络通信，它仅用于本地进程之间的通信。

命名管道通信

建立连接

使用命名管道通信前提还是让相互独立的进程能看到同一份资源，对同一份资源进行操作。所以在命名管道通信之前要先建立链接，建立链接第一步就是创建命名管道，然后在打开命名管道。为了能让不同进程能对同一个管道文件进行操作，因此应该约定好让一个进程在某个路径下创建好一个命名管道，其余进程就可以直接打开这个路径下的命名管道，这样就可以让几个进程先建立好链接。

资源处理

因为命名管道生命周期不随进程，一旦创建后如果不是人为删除就会一直存在，因此在通信完毕之后除了关闭相应的文件描述符，还需要将没有用的管道文件进行删除。在命令行上可以使用rm命令，在程序里面可以使用unlink系统调用接口函数进行删除。

• unlink是一个系统调用函数，用于删除文件系统中的文件。它可以删除普通文件、符号链接和命名管道等文件类型。
• 当你调用unlink函数来删除一个文件时，它会从文件系统中删除该文件的目录项（directory entry），并释放该文件占用的磁盘空间。文件的实际数据在删除后将不再可用。但是，如果有其他进程仍然打开了该文件，那么文件仍然存在，只是无法通过文件名访问。只有当所有对该文件的打开引用都关闭后，文件空间才会被完全释放。
• 需要注意的是，unlink函数只删除文件的目录项，而不会对打开的文件描述符产生影响。这意味着，即使使用unlink删除了文件，仍然可以通过已打开的文件描述符继续访问和操作文件的内容，直到关闭文件描述符。使用unlink函数删除文件是一个不可逆的操作，请谨慎使用，确保你真正想要删除的是该文件。

Client && Server通信

万事俱备，只欠东风。在有了上述的内容储备后，就可以简单的写一份Client和Server两进程的简单通信了。

可以设计一个这样的程序，让Server进程创建一个命名管道，并以只读的方式打开，然后循环的读取内容。让Client进程直接以只写的方式打开命名管道，循环的将数据写入到命名管道中。当Server进程检测到Client进程退出时，Server进程关闭相应的文件描述符并删除命名管道。为了更好的测试，可以将程序设计为交互式的，当我们输入quit时Client结束写入跳出循环然后关闭文件描述符退出，Server进程在检测到Client进程退出后，再将管道里数据读取完毕后也跳出循环结束读取，关闭文件描述符后删除命名管道。这样我们就可以写出如下代码：

//comm.hpp
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define NUM 1024

mode_t mode = 0666;
const std::string fileName = "./fifo";

//Server.cc
#include "comm.hpp"

int main()
{
  umask(0);
  // 创建命名管道
  int ret = mkfifo(fileName.c_str(), mode);
  if (ret == -1)
  {
    std::cout << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;
    exit(-1);
  }
  std::cout << "create namepipe success" << std::endl;
  // 打开命名管道
  int fd = open(fileName.c_str(), O_RDONLY);
  if (fd < 0)
  {
    std::cout << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;
    exit(-1);
  }
  // 开始写入
  while (1)
  {
    char buffer[NUM];
    int n = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (n > 0)
    {
      buffer[n] = '\0';
      std::cout << "client # " << buffer << std::endl;
    }
    else if (n == 0)
    {
      std::cout << "communication finish" << std::endl;
      break;
    }
    else
    {
      std::cout << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;
      break;
    }
  }
  close(fd);
  unlink(fileName.c_str());
  return 0;
}

//Client.cc
#include "comm.hpp"
#include 
bool check(const char* s)
{
  std::string str;
  while(*s != '\n')
  {
    str += *s;
    s++;
  }
  return str != "quit";
}

int main()
{
  // 打开命名管道
  int fd = open(fileName.c_str(), O_WRONLY);
  if (fd < 0)
  {
    std::cout << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;
    exit(-1);
  }
  // 写入内容
  char buffer[NUM];
  std::cout << "Input : ";
  char* ret = fgets(buffer, NUM, stdin);
  while (check(ret))
  {
    buffer[strlen(buffer) - 1] = '\0';
    write(fd, buffer, strlen(buffer));
    std::cout << "Input : ";
    ret = fgets(buffer, NUM, stdin);
  }
  close(fd);
  return 0;
}

总结

管道是一种在进程间进行通信的机制。它可以用于在一个进程中将输出连接到另一个进程的输入，从而实现它们之间的数据传输。无论是命名管道还是匿名管道，他们都属于管道通信并且都具有如下的几种特性：

• 单向通信：管道是单向的，分为读端和写端。写入端将数据写入管道，读取端从管道中读取数据。数据在管道中按先进先出（FIFO）的顺序传输。

• 匿名管道和命名管道：管道可以是匿名的，也可以是命名的。匿名管道只能在具有亲缘关系的进程之间使用，而命名管道可以用于无关进程之间的通信。

• 进程间通信：管道通信通常用于父子进程或者兄弟进程之间的通信。父进程创建管道，并将其的写端传递给子进程，子进程通过读取管道来接收父进程发送的数据。

• 有限的容量：管道有一个有限的容量，通常是操作系统内核中的一个缓冲区。一旦管道被填满，进一步的写入操作将会阻塞，直到有足够的空间来容纳数据。

• 阻塞和非阻塞操作：管道的读取和写入操作可以是阻塞的或非阻塞的。阻塞操作将会一直等待直到数据可用或空间可用，而非阻塞操作将立即返回，无论是否有数据可用或空间可用。

• 临时性：管道中的数据是临时的，一旦相关进程关闭了管道的读写端，管道中的数据将被销毁，无法再被读取。这是因为管道的数据存储在内核的缓冲区中，而不是保存在文件系统中。

管道是一种简单而有效的进程间通信机制，但它也有一些限制。例如，它只支持单向通信，数据传输是基于字节流而不是消息的，且容量有限。如果需要更复杂的通信需求，可以考虑其他的进程间通信方式，如命名管道、消息队列、共享内存等。

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