【Linux】进程间通信（一）

由于进程间通信的篇幅有点大，所以进程间通信这部分将分为两篇文章进行讲述，本篇文章讲述进程间通信的目的、理解、发展及分类和管道相关的知识，下一篇文章将讲述system V共享内存、消息队列、信号量以及内核是如何看待IPC资源的。

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一、进程间通信

1.1 进程间通信目的

为了多进程之间的协同，主要分为以下场景：

• 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
• 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。
• 通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
• 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变

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1.2 理解进程间通信

我们都知道进程具有独立性，那么进程1是如何将数据交给进程2的呢？进程1不可能直接将自己的数据交给进程2，这里举个例子来帮助大家理解：

小时候爸爸妈妈可能都吵过架，这时候他们认为自己都没有错，所以两人就不再交流。

当晚上妈妈做好了饭以后，就对你说：“儿/女儿，去叫你爸吃饭”
你就去跟你爸爸说：“爸，妈叫你去吃饭”，
你爸爸又对你说：“告你你妈，我不吃”，
你就回去给你妈妈说：“爸说他不吃饭”，
你妈就让你去给你爸说：“告诉你爸，爱吃不吃”。

在这个例子中，爸爸和妈妈并没有直接交流，而是通过你来进行数据的传递，这样就分别维护了他们两个人的独立性。这里的爸爸和妈妈就分别对应这进程1和进程2，虽然进程1和进程2不能直接将数据交给对方，但是可以通过操作系统也就是“你”来将数据传输给对方。

进程间通信的本质：就是让不同的进程看到同一份资源，这个资源通常由操作系统提供。
对应上面的例子来说，虽然父母不能直接交流，并且你也不在家，但是父母可以把你叫回来，让你做他们两个的中间人，相对于就是想你申请资源。

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1.3 进程间通信发展

• 管道
• System V进程间通信
• POSIX进程间通信

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1.4 进程间通信分类

管道

• 匿名管道pipe
• 命名管道

System V IPC

• System V 消息队列
• System V 共享内存
• System V 信号量

POSIX IPC

• 消息队列
• 共享内存
• 信号量
• 互斥量
• 条件变量
• 读写锁

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二、管道

2.1 什么是管道

• 管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。
• 我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”
  

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2.2 管道的原理

当我们运行一个程序的时候，程序加载到内存变为进程，操作系统会为进程创建PCB，还会创建一个files_struct，PCB中有一个指针会指向files_struct，进程运行起来会默认打开三个标准流，当我们创建一个新文件时，操作系统会为其创建一个struct file结构体，files_struct中的文件描述符表中会有一个位置指向file对象，file对象会指向三个重要的内容，自己的inode对象，方法集和文件缓冲区。我们以该进程为父进程创建一个子进程，操作系统会以父进程为模版为子进程创建自己的PCB，又files_struct是进程的一部分，所以操作系统也会为子进程创建一个files_struct，并将父进程中files_struct的内容以浅拷贝的方式拷贝到子进程的files_struct中，所以父子进程就指向了同一个同一个文件，也就是不同的进程看到了同一份资源。如果说新建的文件是普通文件，最终操作系统会将文件缓冲区中的数据刷新到磁盘中，但是我们不想数据被刷新到磁盘中，我们想要通过文件将一个进程的数据交给另一个数据，所以这个文件就要是特殊的文件，这个文件要是内存级别的文件，我们称这个文件为管道文件。

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管道未来只能是单向通信，管道必须有一端是读端，一端是写段，父进程就需要两个文件描述符分别代表读端和写端，因为只有这样在创建子进程时，子进程的文件描述符表中才回拥有读端和写端，若父进程只有读端，创建出的子进程也只有读端，不能形成单向信道，只有写端也是同样如此，所以我们需要将管道文件以读写的方式分别打开一次。父子进程都有了读写端后，只需要一个进程关闭读端，一个进程关闭写端，就能够形成单向信道。

文件的属性大部分是在inode中的，少部分存储在file结构体中。
这里我让一个进程分别以读写的方式打开文件，由于file结构体中有一个属性记录着文件的读写位置，所以以两种方式打开文件就会有两个file结构体，我们认定以读方式打开的文件的fd为读端，以写方式打开的文件为的fd写端。

这里我们以父进程为模版创建一个子进程，子进程的files_struct是浅拷贝父进程的files_struct而来的，所以父子进程下同一个fd指向的是同一个file结构体，通过这样的方式，父子进程就各自拥有了一个读写端。

file结构体对象中有一个引用计数，用来记录有多少个文件描述符指向我这个file结构体。

进程关闭读写端本质上就是将对应的指向file结构体的指针在文件描述符表中清除，再将对应的file结构体对象中的引用计数减一，当file结构体对象的引用计数为0时，这个文件才会被操作系统关闭，关闭一个文件与进程没有关系，进程只需要将files_struct中文件描述符表中对应的指针清除，再将file对象中的引用计数减一，就可以认为进程已经关闭对应的文件了，实际上文件是否被操作系统关闭，看到是file结构体中的引用计数，引用计数为0了自然就被关闭了，这个引用计数就很好的支撑了进程管理与文件管理的解耦。

这里我想让子进程写，父进程读，所以我们关闭父进程的写端，子进程的读端，由于file结构体中引用计数的存在，文件不会被关闭，file结构体也不会被清除，这样我们就就做到了父子进程各自维护一个file对象，指向同一个资源，这就是让不同进程看到同一份资源。

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2.3 匿名管道

2.3.1 pipe函数

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);

功能：创建一无名管道

参数：fd：文件描述符数组，这里参数是输出型参数，返回读写对应的文件描述符，其中fd[0]表示读端，fd[1]表示写端

返回值：

• 成功返回0。
• 失败返回-1，并设置错误码

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2.3.2 匿名管道的实现

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>#define MAX 1024using namespace std;int main()
{// 第一步，建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);(void)n; // 在release版本调试下，assert会被注释掉，本句代码只做防止编译器告警的作用cout << "pipefd[0]:" << pipefd[0] << ", pipefd[1]:" << pipefd[1] << endl;// 第二步，创建子进程pid_t id = fork();if (id < 0){perror("fork");return 1;}if (id == 0){// child// w - 这里只是向管道文件中写入，并没有向显示屏中写入close(pipefd[0]);int cnt = 10;while (cnt){char message[MAX];snprintf(message,sizeof(message),"Hello father , i am child , pid : %d , cnt : %d" , getpid(),cnt);write(pipefd[1],message,strlen(message));cnt--;sleep(1);}exit(0);}// 第三步，关闭父子进程不需要的fd，形成单向信道// 父进程读，子进程写// father// r - 这里向管道中读取数据close(pipefd[1]);char buffer[MAX];while(1){ssize_t num = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);// 我们这里默认读到字符串,如果缓冲区中的数据长度超过了1024// 我们需要在结尾处留一个位置，用来存放/0if(num > 0){buffer[num] = '\0';cout << getpid() << " , child say :" << buffer << " to me!" << endl;  }}pid_t rid = wait(NULL);if (rid == id){cout << "wait success" << endl;}return 0;
}

通过上面代码的实现，我们可以通过一个程序向另一个程序动态的写入数据。之前我们学到过通过创建子进程的方式，父进程可以以继承的方式将数据交给子进程，但是不能将变化的数据交给子进程，并且子进程无论如何都是无法将自己的数据交给父进程的。

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如果说写端写的很慢，导致管道中没有数据了，会发生什么情况呢？

这里我让写端每100秒向管道中写入数据，运行程序观察现象，我们发现进程“卡住”了，实际上这是读端在等待。所以说写端写的很慢，导致管道中没有数据了，读端必须等待，直到管道中有数据了为止。

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如果说写端写的快一点，读端读的慢一点，会发生什么情况呢？

这里我让写端一直写，读端两秒钟读一次，运行程序观察现象，我们发现写端是一行一行写的，但是读端确实一下子将管道中所有的数据全部读出来，这就是匿名管道的特性之一：面相字节流，写端并不会因为你怎么写，就约束读端怎么读，读端想怎么读就怎么读。

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如果说读端读的很慢，导致管道写满了，会发生什么情况呢？

这里我让写端一直写，读端200秒读一次，运行程序观察现象，我们发现写端在写了一段时间后就卡住不动了，这就是管道被写满了，在等读端将管道中的数据读走，所以如果说读端读的很慢，导致管道写满了，写端必须等待，直到有空间为止。

通过这里和上面的实验现象，我们发现读端和写端都会互相等待，这就是匿名管道的特性之一：默认给读写端提供同步机制。

那么一个管道是多大呢？

这里我让写端一直写，并且每次写一个字符，读端一直不读，查看写端向管道中写入多少次，运行程序观察现象，这里我们发现写端写入了65536次，每次写入一个字节，所以管道的大小是64KB。我们还可以通过命令ulimit -a来查看管道的大小，我们发现管道的大小是4KB，实际上这并不是真正的管道大小。

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如果写端关闭，读端一直读取，会出现什么情况呢？

这里我让写端每1秒写入一次，写入三次后就直接关闭，读端每1秒读一次一直读，每读一次就输出read的返回值，运行程序观察现象，我们发现写端写入三次以后，read的返回值变为了0，代表读到了文件结尾，也表示写端已经关闭，那么读端也没有存在的意义了，最好也一起关闭了。如果写端关闭，读端一直读取，读端会读到read的返回值为了0，代表读到了文件结尾，表示写端已经关闭。

如果我们不显示的将写端关闭，会发生什么情况呢？
与上面的情况一致，这也体现了管道的特性之一：管道的生命周期是跟随进程的。

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如果读端关闭，写端一直写入会发生什么情况呢？

这里我让写端每1秒写入一次一直写，读端每一秒读一次，只读一次后关闭读端，关闭后休眠5秒，，运行程序和脚本观察结果。我们发现写端在读端关闭以后，就直接变为了僵尸状态，也就是说写端被进程杀掉了。所以如果读端关闭，写端一直写入，操作系统会直接杀掉写端对应的进程，操作系统是通过给进程发送SIGPIPE(13)信号将目标进程杀掉的。

父进程是可以查看子进程的退出信息的，这里我们使用wait函数获取子进程的退出信息，退出信息中的低八位就是子进程的退出信号，我们将其打印出来，发现确实是13号信号。

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2.3.3 匿名管道小结

2.3.3.1 匿名管道的四种情况

1. 正常情况，如果管道没有数据了，读端必须等待，直到有数据为止(写端向管道写入数据了)
2. 正常情况，如果管道被写满了，写端必须等待，直到有空间为止(读端读走管道的数据了)
3. 写端关闭，读端一直读取，读端会读到read返回值为0，表示读到文件结尾
4. 读端关闭，写端一直写入，os会直接杀掉写端进程，操作系统通过想目标进程发送SIGPIPE(13）来终止程序。

2.3.3.2 匿名管道的五种特性

1. 匿名管道，可以允许具有血缘关系的进程之间进行进程间通信，常用于父子，仅限于此
2. 匿名管道，默认给读写端要提供同步机制
3. 管道是面向字节流的
4. 管道的生命周期是随进程的
5. 管道是单向通信的，半双工通信的一种特殊情况

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2.3.4 匿名管道实现进程池

需要注意下面第一种建立进程间通信的前提时，会导致如下图除最后一个创建的管道只有一个父进程的fd指向写端,一个子进程的fd指向读端，前面的所有管道都有一个子进程的fd指向读端，一个父进程的fd和多个子进程的fd指向写端所以在回收资源的时候需要注意一下回收顺序，要么先将所有管道的写端全部关闭都再回收子进程，要么从后往前边关闭管道的写端，边回收子进程。

而下面第二种建立进程间通信的前提时，会保证所有管道都有一个子进程的fd指向读端，一个父进程的fd和多个子进程的fd指向写端。使用任意方式关闭写端和回收子进程。

// ProcessPool.cpp
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <vector>
#include <string>
#include <assert.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include "Task.hpp"using namespace std;const int num = 5;
static int number = 1;class channel
{
public:int _ctrlfd;   // 写端描述符int _workerid; // 对应写入的进程string _name;  // 管道的名称
public:channel(int ctrlfd, int workerid): _ctrlfd(ctrlfd), _workerid(workerid){_name = "channel-" + to_string(number++);}
};void Work()
{while (true){int command = 0;ssize_t n = read(0, &command, sizeof(command));if (!init.CheckSafe(command))continue;if (n == sizeof(command))init.RunTask(command);else if (n == 0)break;else{// nothing to do}}cout << "child quit" << endl;
}// 传参形式建议
// 输入参数：const &
// 输出参数：*
// 输入输出参数：&// 创建方式1会导致除最后一个创建的管道只有一个父进程的fd指向写端,一个子进程的fd指向读端
// 前面的所有管道都有一个子进程的fd指向读端，一个父进程的fd和多个子进程的fd指向写端
// 所以在回收资源的时候需要注意一下回收顺序
// void CreateChannels(vector<channel> *channels)
// {
//     // 定义并创建管道
//     for (int i = 0; i < num; i++)
//     {
//         int pipefd[2] = {0};
//         int n = pipe(pipefd);
//         assert(n == 0);
//         (void)n;//         // 创建子进程//         pid_t id = fork();
//         assert(id >= 0);//         // 关闭不需要的fd，形成单向管道
//         if (id == 0)
//         {
//             // child//             close(pipefd[1]);
//             dup2(pipefd[0], 0); // 这里输入重定向，就是为了让Work向0中读取，让Work少一个参数，仅此而已
//             Work();//             exit(0);
//         }//         // father
//         close(pipefd[0]);
//         channels->push_back(channel(pipefd[1], id));
//     }
// }// 建方式2保证了所有管道都有一个子进程的fd指向读端，一个父进程的fd和多个子进程的fd指向写端
void CreateChannels(vector<channel> *channels)
{vector<int> oldfd;// 定义并创建管道for (int i = 0; i < num; i++){int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);(void)n;// 创建子进程pid_t id = fork();assert(id >= 0);// 关闭不需要的fd，形成单向管道if (id == 0){// child// 关闭当前文件的写端close(pipefd[1]);// 关闭之前管道文件的写端if(!oldfd.empty()){for(auto& fd : oldfd){close(fd);}}dup2(pipefd[0], 0); // 这里输入重定向，就是为了让Work向0中读取，让Work少一个参数，仅此而已Work();exit(0);}// fatherclose(pipefd[0]);channels->push_back(channel(pipefd[1], id));oldfd.push_back(pipefd[1]);}
}void Print(const vector<channel> &channels)
{for (const auto &channel : channels){cout << channel._name << "  " << channel._ctrlfd << "  " << channel._workerid << endl;}
}const bool g_always_loop = 1;// 一直执行任务，则num为-1，否则num为执行任务的次数
void SendCommand(const vector<channel> &channels, int flag, int num = -1)
{int pos = 0;while (true){// 1.选择任务 --- 随机int command = init.SelectTask();// 2.选择信道（进程）--- 轮询 --- 将任务较为平均的交给进程channel c = channels[pos++];pos %= channels.size();cout << "sent command " << init.ToDesc(command) << "[" << command << "]"<< " in " << c._name << " worker is:" << c._workerid << endl;// 3.发送任务write(c._ctrlfd, &command, sizeof(command));// 4.判断是否退出if (flag != g_always_loop){num--;if (num <= 0){break;}}sleep(1);}cout << "SendCommand done..." << endl;
}void ReleaseChannel(const vector<channel> &channels)
{// 每个管道都只有一个fd指向写端时，可以使用该方式回收资源for (const auto &channel : channels){close(channel._ctrlfd);pid_t rid = waitpid(channel._workerid, nullptr, 0);}// 在多个fd指向读端的情况下，回收资源的方法2// 逆序边关闭写端，再回收对应的子进程// for (int i = channels.size() - 1; i >= 0; i--)// {//     close(channels[i]._ctrlfd);//     pid_t rid = waitpid(channels[i]._workerid, nullptr, 0);// }// 在多个fd指向读端的情况下，回收资源的方法1// 先将所有写端全部关闭，就可以随意回收子进程了// for (const auto &channel : channels)// {//     close(channel._ctrlfd);// }// for (const auto &channel : channels)// {//     pid_t rid = waitpid(channel._workerid, nullptr, 0);//     if (rid == channel._workerid)//     {//         cout << "wait child " << rid << " success" << endl;//     }// }
}
int main()
{vector<channel> channels;// 创建信道创建进程CreateChannels(&channels);// 开始完成任务// SendCommand(channels,g_always_loop);SendCommand(channels, !g_always_loop, 10);// 回收资源，释放管道，关闭写端，等待回收子进程ReleaseChannel(channels);// Print(channels);//  sleep(10);return 0;
}

// Task.hpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <functional>using namespace std;typedef function<void()> task_t;void Download()
{cout << "我是一个下载任务" << " 处理者:" << getpid() << endl;
}void PrintLog()
{cout << "我是一个打印日志的任务" << " 处理者:" << getpid() << endl;
}void PushVideoStream()
{cout << "这是一个推送视频流的任务" << " 处理者:" << getpid() << endl;
}class Init
{
public:const static int g_download_code = 0;const static int g_printlog_code = 1;const static int g_pushvideostream_code = 2;vector<task_t> tasks;public:Init(){tasks.push_back(Download);tasks.push_back(PrintLog);tasks.push_back(PushVideoStream);srand(time(nullptr) ^ getpid());}bool CheckSafe(int code){return code >= 0 && code < tasks.size();}void RunTask(int command){tasks[command]();}int SelectTask(){return rand() % tasks.size();}string ToDesc(int command){switch (command){case g_download_code:{return "Download";break;}case g_printlog_code:{return "PrintLog";break;}case g_pushvideostream_code:{return "PushVideoStream";break;}default:{return "Unkown";break;}}}
};Init init;

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2.4 命名管道

匿名管道只能让具有血缘关系的进程进行进程间通信，如果我们想让两个毫不相关的进程进行进程间通信，那就只能使用命名管道了。

2.4.1 指令级

2.4.1.1 创建命名管道

Linux操作系统中有一个指令叫做mkfifo，mkfifo+管道名就可以创建对应的管道了。

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2.4.1.2 使用命名管道

当我们使用echo指令向显示屏中写入一段数据后，我们发现这段数据确实显示到了显示屏上，当我们向命名管道中写入一段数据时，我们发现进程卡住了，使用另一台机器发现fifo文件的大小为0，再使用cat指令从命名管道中读取数据，发现将刚刚写入的命名管道中的数据读取出来了。命名管道文件大小为0的原因是管道属于内存级别的文件，并不会将数据写入到磁盘中。

当我们使用echo指令向管道文件中写入数据时，它就变为了一个进程，当使用cat指令向命名管道文件中读取数据的时候，它也变为了一个进程，这样我们就让两个进程看到了同一份资源，并且这两个进程毫无关系。

我们如何保证这两个进程会看到同一份资源的呢？
是通过路径来保证的，由于路径具有唯一性，所以路径+文件名就可以唯一的让不同进程看到同一份资源。

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2.4.2 代码级

2.4.2.1 创建命名管道

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);

功能：mkfifo 函数可以在Linux操作系统中用于创建命名管道。

参数：

• filename ：是一个指向以 null 结尾的字符串的指针，表示要创建的命名管道的文件名。
• mode ：是一个位掩码，指定了新创建的命名管道文件的权限。这些权限位与 chmod 和 stat 系统调用中使用的权限位相同。

返回值：

• 成功时，它返回 0。
• 如果失败，则返回 -1 并设置全局变量 errno 以指示错误类型。

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2.4.2.2 使用命名管道

使用管道需要两个进程，这里我们就写两个源文件，一个server.cpp代表服务端，一个client.cpp代表客户端，具体实现大家可以看一下下面的代码。

这里为了强调进程间通信的本质就是让不同进程看到同一份资源，我这里创建一个头文件comm.h，头文件中记录着命名管道的文件名。

// comm.h
#pragma once#define FILENAME "fifo"

// Makefile同时编译形成多个可执行程序.PHONY:all
all:server clientserver:server.cppg++ $^ -o $@ -std=c++11
client:client.cppg++ $^ -o $@ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -f server client fifo

// server.cpp
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include "comm.h"using namespace std;// 创建命名管道
bool MakeFifo()
{int n = mkfifo(FILENAME, 0666);if (n < 0){cerr << "errno" << errno << "strerror" << strerror(errno) << endl;return false;}cout << "create fifo success..." << endl;return true;
}int main()
{
Start:int rfd = open(FILENAME, O_RDONLY);// 有命名管道直接打开，没有则创建，创建完后还需要再一次打开管道if (rfd < 0){cerr << "errno:" << errno << "  strerror:" << strerror(errno) << endl;if (MakeFifo())goto Start;elsereturn 1;}cout << "open fifo success... read" << endl;while (1){cout << "Client Say# ";char buffer[1024];// 将管道中的数据读入到缓冲区中ssize_t num = read(rfd, buffer, sizeof(buffer) - 1);// 我们默认向管道中写入的是字符串，所以需要在结尾处加上0if (num > 0){buffer[num] = 0;}// num == 0 代表写端已经关闭，读端也没必要存在了，关闭读端else if (num == 0){cout << endl;cout << "client close , server close too..." << endl;break;}cout << buffer << endl;}close(rfd);cout << "close fifo success...read" << endl;return 0;
}

// client.cpp
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include "comm.h"using namespace std;int main()
{// 客户端以只写的方式打开管道int wfd = open(FILENAME, O_WRONLY);if (wfd < 0){// 打开失败则退出进程cerr << "errno" << errno << "strerror" << strerror(errno) << endl;return 1;}cout << "open fifo success... write" << endl;while (1){string message;cout << "Please Enter# ";// 不以空格为结束符的方式，写入一段数据到字符串messagegetline(cin, message);// 将字符串中的数据写入到管道中ssize_t n = write(wfd, message.c_str(), message.size());if (n < 0){// 写入失败则退出进程cerr << "errno" << errno << "strerror" << strerror(errno) << endl;return 2;}}// 关闭写端close(wfd);cout << "close fifo success...write" << endl;return 0;
}

我们使用make以后就会多出来两个可执行程序，当我们使用一号机器运行server（服务端）时，若当前目录下有命名管道就直接打开，否则先创建再打开，当我们再使用二号机器运行客户端时，就形成了单向通信的管道了。当我们在客户端中输入信息时，服务端就可以读取到客户端输入的信息了。

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结尾

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