【Linux】进程间通信（三）：命名管道

愚润求学2025-05-21 9:16

📝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）：

bash 复制代码 
mkfifo fifo.txt

这个p就代表是管道文件

示例（库函数创建）：

cpp 复制代码 
#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

cpp 复制代码 
#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：

cpp 复制代码 
#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：

cpp 复制代码 
#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：

cpp 复制代码 
#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：

cpp 复制代码 
#include "comm.hpp"

int main()
{
    Link Client(PATH, FILENAME);
    Client.LinkForWrite();
    Client.Write();
    Client.Close();
}

server.cpp文件

cpp 复制代码 
#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：

bash 复制代码 
.PHONY:all
all:client server
client:client.cpp
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
server:server.cpp
	g++ -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

🌈我的分享也就到此结束啦🌈

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若有不足，还请大家多多指正，我们一起学习交流！

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