【Linux】进程间通信（三）：命名管道

📝前言：

这篇文章我们来讲讲Linux 进程间通信（三）——命名管道

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一，命名管道介绍

之前我们介绍过了匿名管道，匿名管道通常用于有血缘关系的进程。那如果两个毫无关系的进程之间要进行通信，这时候就需要用到我们的命名管道。

1. 原理介绍

首先，想要进行进程间通信，就要让两个进程看到同一份资源！这份资源就是文件！
命名管道的原理和匿名管道基本相同，都是要让两个进程看到同一份文件。那两个没有血缘关系的进程是如何做到的呢？

• 当两个进程打开同一路径下的同一个文件的时候，对应的文件描述符会被写入对应进程的文件描述符表中
• 而对应文件的struct file其实是会被拷贝一份的（尽管两个struct file描述的都是c.txt文件，但是两个进程可能会在文件中有不同的读写位置不同的struct file就会记录）
• 但是文件的 inode 和 文件内核缓冲区（这是文件在内存中真正的主体）是不会拷贝的，因为都是同一个文件的。
• 即：因为路径具有唯一性，两个进程利用路径的唯一性看到了同一个文件（资源）。因为文件有文件名，所以叫做命名管道。

问题是，对于普通文件来说，IO会往磁盘刷新！
所以，OS提供了一种特殊的文件：管道文件，这种文件不会往磁盘刷新。这样两个进程就可以通过读写这个文件来实现通信！

2. 简单创建

我们用mkfifo来创建管道文件，命令和库函数同名

命令：

库函数：

• 参数：（文件路径，创建文件时的权限）
• 返回值：成功：0，失败：-1

示例（命令行创建）：

mkfifo fifo.txt

这个p就代表是管道文件

示例（库函数创建）：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int main()
{int ret = mkfifo("fifo2.txt", 0666);if(ret == 0)std::cout << "创建管道文件fifo2.txt成功" << std::endl;return 0;
}

当命名管道创建好后，和普通文件的使用放个一模一样。先打开，然后再读写操作。

3. 简单使用

命令行输入：echo "hello world" > fifo.txt
结果：

就像被卡柱一样，直到我们cat fifo.txt才有反应：


这是因为，管道文件有特殊的读写规则。

4. 管道文件特殊的读写规则

管道文件的读写端必须都打开了才能工作，不然一段会端塞。

以上面的例子为例，

• 当使用 echo "hello world" > fifo.txt 往管道写数据时，必须有另一个进程在管道的读端等待读取数据，否则写操作会被阻塞。

• 同理，如果先打开读端，但是写端没有打开，读端也会阻塞等待写端打开。

5. 命名管道删除

使用unlink：

当然，命令行也可以用rm删

系统调用删，常用于代码中

二，使用示例

错误和退出宏

• 当一个操作错误时，C语言会设置对应的错误码在errno，我们可以通过perror来打印对应错误码的错误信息。
• 如果我们想在打印错误信息后立刻终止程序，可以添加exit操作

上述两个操作，我们可以用一个宏 + do...while(0)来包装一下

#define ERR_EXIT(m) \
do { \perror(m); \exit(EXIT_FAILURE); \
} while(0)

• do...while(0)：只是为了提供一个能用于代码块包装的{}
• 后续写代码时，我们直接调用ERR_EXIT(m)，m为我们传入的字符串提示信息
• 因为宏是要写到一行的，\是为了换行
• EXIT_FAILURE 是标准库 <stdlib.h> 中已经定义的宏（通常值为 1）

示例1

思路

重建两个进程，利用命名管道进行文件的拷贝：把file1.txt 的 内容拷贝到 file2.txt

基本思路：

• 一个进程往命名管道里面写入file1.txt的内容
• 另一个进程从命名管道读内容，写入file2.txt

代码

WriteN 文件：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <cstdlib>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>using namespace std;#define ERR_EXIT(m)         \do                      \{                       \perror(m);          \exit(EXIT_FAILURE); \} while (0)int main()
{// 创建命名管道int m = mkfifo("tp", 0666);if (m < 0)ERR_EXIT("mkfifo"); // 代表mkfifo这个行为发生错误// 打开原有文件int infd = open("file1.txt", O_RDONLY);if (infd < 0)ERR_EXIT("open");// 打开命名管道int outfd = open("tp", O_WRONLY);if (outfd < 0)ERR_EXIT("open");// 把原有文件的内容输出到命名管道char buffer[1024];int n;while ((n = read(infd, buffer, sizeof(buffer))) > 0) // 当还读到有数据时{write(outfd, buffer, n);}close(infd);close(outfd);return 0;
}

ReadN文件：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <cstdlib>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>using namespace std;#define ERR_EXIT(m)         \do                      \{                       \perror(m);          \exit(EXIT_FAILURE); \} while (0)int main()
{// 打开命名管道int infd = open("tp", O_RDONLY);if(infd < 0) ERR_EXIT("open");// 打开要写入的文件int outfd = open("file2.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);if (outfd < 0)ERR_EXIT("open");// 把命名管道的内容写到要拷贝到的文件char buffer[1024];int n;while((n = read(infd, buffer, sizeof(buffer))) > 0) // 当还读到有数据时{write(outfd, buffer, n);}close(infd);close(outfd);// 删除命名管道unlink("tp");return 0;
}

运行

一个终端先运行writer，另一个终端再运行reader，就完成了文件拷贝工作

示例2

思路

• 利用命名管道建立一个服务段和客户端对话的窗口。
• 客户端往命名管道里面写数据。
• 服务段从命名管道里面读数据。

代码

comm.hpp文件：

#pragma once#include <string>
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>#define PATH "."
#define FILENAME "fifo"using namespace std;#define ERR_EXIT(m)         \do                      \{                       \perror(m);          \exit(EXIT_FAILURE); \} while (0)class NamedPipe
{
public:NamedPipe(string path, string name): _path(path), _name(name){_fifoname = _path + "/" + _name;int m = mkfifo(_fifoname.c_str(), 0666);if (m < 0)ERR_EXIT("mkfifo");cout << "mkfifo " << _fifoname << "sucess" << endl;}~NamedPipe(){int u = unlink(_fifoname.c_str());if (u < 0)ERR_EXIT("unlink");cout << "unlink " << _fifoname << "sucess" << endl;}private:string _path;string _name;string _fifoname;
};class Link // 服务端和用户端通过这个Link对象来进行对话
{
public:Link(const string& path, const string& name) // 这个构造只是为了把上面创建的命名管道的信息拿下来: _path(path), _name(name){_fifoname = _path + "/" + _name;cout << "Link " << _fifoname << " -> sucess" << endl;}void LinkForWrite(){// 当命名管道创建好了以后，就当做普通文件一样访问_fd = open(_fifoname.c_str(), O_WRONLY | O_TRUNC);if (_fd < 0)ERR_EXIT("open");cout << "Now you can write something to server " << endl;}void LinkForRead(){_fd = open(_fifoname.c_str(), O_RDONLY);if (_fd < 0)ERR_EXIT("open");cout << "Now you can read from client " << endl;}void Write(){while (true){string message;getline(cin, message);if(message == "quit"){break;}write(_fd, message.c_str(), message.size());}}void Read(){while (true){char buffer[1024];int n = read(_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);buffer[n] = '\0';if (n > 0){cout << buffer << endl;}else if (n == 0){cout << "cilent quit... now server quit" << endl;exit(EXIT_SUCCESS);}else{ERR_EXIT("read");}}}void Close(){close(_fd);}private:string _path;string _name;string _fifoname;int _fd;
};

client.cpp文件：

#include "comm.hpp"int main()
{Link Client(PATH, FILENAME);Client.LinkForWrite();Client.Write();Client.Close();
}

server.cpp文件

#include "comm.hpp"int main()
{// 创建命名管道// 构造时创建，进程结束时，自动析构NamedPipe fifo(PATH, FILENAME);Link Server(PATH, FILENAME);Server.LinkForRead();Server.Read();Server.Close();
}

Makefile文件：

.PHONY:all
all:client server
client:client.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11
server:server.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -f client server

• 伪目标all（不对应实际文件，仅用于执行命令），依赖于client和server
• make 执行all的时候，就会去执行client和server目标

运行

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