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[Linux] 进程间通信——匿名管道命名管道

news 来源：原创 2025/5/6 14:52:02

标题：[Linux] 进程间通信——匿名管道&&命名管道

@水墨不写bug

（图片来源于网络）

一、进程间通信

二、进程间通信的方案——匿名管道

（1）匿名管道的原理

（2）使用匿名管道

三、进程间通信的方案——命名管道

（1）认识管道文件

（2）使用命名管道

正文开始：

一、进程间通信

当你参加场竞赛，你一定需要与你的队友密切配合，这样才能高效的完成任务。然而，配合的前提是你们知道彼此现在的状况，就是说，你们需要尽可能的共享信息，而这一过程不就是通信吗？于是，得出结论：

配合的前提是通信。

一台计算机，是被操作系统管理着（操作系统是软硬件资源的管理者），而进程间由于具有独立性，体现为每个进程都有自己的进程地址空间，这就意味着多个进程之间相互的数据不可见（所有的数据，不论局部或者全局），于是想要实现进程间的相互通信，通常是比较困难的（成本比较高）。

图1（进程间具有独立性）

进程间通信的前提是让不同的进程看到同一份资源，这份资源（称为 "共享资源"），不是属于某一个进程，而是操作系统这个中间人提供的资源（本质就是一段内存）。

由于操作系统不相信任何人，于是操作系统提供了一系列的系统调用，用来创建共享资源。这同时也意味着：操作系统提供了很多接口，调用不同的接口，会创建不同类型的共享资源。这些不同的共享资源就有：

管道（包括匿名管道、命名管道）、SystemV IPC的共享内存、消息队列、信号量。

本文要讲解的就是头一种进程间通信的方式：管道。

二、进程间通信的方案——匿名管道

（1）匿名管道的原理

进程打开文件时，发生了什么？

当进程以读或者的方式打开一个文件的时候，操作系统会在内存中创建一个结构体——struct file，这个结构体用来维护被打开的文件：

标准输入，标准输出，标准错误被默认打开（文件结构体数组——fd数组的0,1,2被默认的三个“文件”占用）：

图2（进程与被打开的文件对应创建的结构体）

这时，如果进程B以读的方式打开一个文件：比如调用了C的fopen函数以r的方式打开，具体结果就会成为这样：

此时，再以w方式打开同一个文件：

（以读方式打开文件后，再次以写方式打开，会创建一个专门用于write的structfile，但文件的内核级数据会沿用read structfile的同一份）——这是匿名管道的基本原理条件。

此时fork创建子进程，子进程会“共享”父进程的代码和数据（包括fd_array），于是，可以表示为：

如果让父进程关闭r，子进程关闭w，那么：这样，不酒满足两个进程看到同一份内核级缓冲区了吗？

这就是匿名管道的原理。

（2）使用匿名管道

头文件:<unistd.h>

函数原型：

使用：

调用pipe时，传入一个数组类型int [2],将带出两个文件fd，一个是读fd ,下标为[0],一个是写fd,下标为[1]。这两个fd就是匿名管道内核级缓冲区的fd，由于匿名管道没有文件路径和文件名，所以称为“匿名管道”。

注意：

匿名管道只能用于进行具有血缘关系的进程之间进行通信，常用于父子进程之间进行通信。

管道内部，自带进程之间的同步机制。

管道文件的生命周期随进程。

管道文件在通信的时候，是面向字节流的，write次数和read次数不是一一匹配的。

管道的通信模式，是特殊的半双工模式。

使用时，四种特殊情况：

管道文件为空 && write fd没有关闭，读条件不具备，读进程被阻塞，直到pipe内有数据。

管道文件被写满 && read fd 不读但是没有关闭，管道已满，写进程被阻塞，直到pipe内有空间。

管道一直在读 && 写 fd被关闭，读fd读到0，表示读到了文件结尾。

read fd关闭，write fd没有关闭，若再写入数据，write会被OS以SIGPIPE信号终止。

三、进程间通信的方案——命名管道

由于匿名管道的缺陷是只能让两个具有血缘关系的进程通信，命名管道就是为了解决这样的问题而设计的。

（1）认识管道文件

通过指令 mkfifo + 文件名 可以创建管道文件，文件类型为p：

这就是管道文件，这样的文件具有确定的路径和文件名，所以就称为“命名管道”。这个文件对应匿名管道的内核级缓冲区。这就意味着，原理虽然和匿名管道不完全相同，但是思路完全一致，这里不再赘述。

（2）使用命名管道

创建管道文件，两种方法：

1.指令mkfifo + 管道文件名称

2.使用系统封装后的接口：

头文件：

函数原型：

返回值就是命名管道的fd;如果创建失败，返回-1，错误吗被设置。

删除管道文件，两种方法：

1.指令方法

rm + 文件名 / unlink + 文件名

2.使用系统封装的接口

到这里，你或许对管道的使用还有一些迷惑，通过下面的这一个小项目，或许你会对进程间通信的方案——管道有一个更深入的理解：

项目：简单的sever和client之间的通信，通给C++的封装来尽量简化代码的逻辑，尽可能规范：

namedPipe.h:


#pragma once#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>using std::cout;
using std::endl;const std::string comPath = "./myNamedPipe";enum WHO
{//文件操作符的默认值defaultFd = -1,//标识调用者的身份sever = 0,client = 1,//读取namedPipe的一次读入数据的大小：bytesBaseSize = 4096
};//管理命名管道的类，不同的身份的人调用会产生不同的效果
//serer管理命名管道的生命周期,client只负责使用管道
class NamedPipe
{
private:bool OpenNamedPipe(int openstyle){//把得到的fd交给成员变量_fd即可_fd = open(comPath.c_str(),openstyle);if(_fd < 0){perror("open namedpipe fail!");exit(1);}return true;}
public:NamedPipe(const std::string& path,int who):_pipePath(path),_who(who),_fd(defaultFd){//sever需要创建命名管道//cilent则什么都不需要做if(who == sever){int res = mkfifo(comPath.c_str(),0666);if(res < 0){perror("sever mkfifo fail!");exit(1);}cout<<"sever mkfifo success!"<<endl;}}bool OpenForRead(){return OpenNamedPipe(O_RDONLY);}bool OpenForWrite(){return OpenNamedPipe(O_WRONLY);}//通过stl的string为载体来写入，s为输入型参数int Write(const std::string &s){int res = write(_fd,s.c_str(),s.size());//如果出错，打印错误信息，终止进程//如果正确，返回写入数据的字节数if(res < 0){perror("read fail!");exit(1);}return res;}//通过stl的string为载体来输出，s为输出型参数int Read(std::string *s){char buf[BaseSize] = {0};int res = read(_fd,buf,BaseSize);*s = buf;//如果出错，打印错误信息，终止进程//如果正确，返回读取的数据的字节数if(res < 0){perror("read fail!");exit(1);}return res;}~NamedPipe(){if(_who == sever){int res = unlink(comPath.c_str());if(res < 0){perror("unlink fail!");exit(1);}if(_fd != defaultFd){close(_fd);}}}private:const std::string _pipePath;//命名管道的路径，便于不同进程找到命名管道int _who;//身份int _fd;//namedpipe的文件描述符
};

sever.cc:

#include "namePipe.hpp"// 一般可以看着namePipe的头文件来使用头文件内部的接口
// 也就是说
// sever等的enum常量的声明是可以被看到的,所以sever的直接使用并不突兀
// 但是namePipe被写为  hpp = .h + .cc// 服务端，读取数据，管理namedPipe
int main()
{// 通过类来管理namePipe，出作用域自动析构NamedPipe fifo(comPath.c_str(), sever);if (fifo.OpenForRead()){while (true){std::string s;int n = fifo.Read(&s);cout << n << ":" << s.c_str() << endl;}}return 0;
}

client.cc:

#include "namePipe.hpp"// 客户端，写入数据
int main()
{NamedPipe fifo(comPath.c_str(), client);if (fifo.OpenForWrite()){std::string s("I am process A");while (true){sleep(1);int n = fifo.Write(s);cout<<n<<" bytes writen "<<endl;}}return 0;
}

makefile:

.PHONY:all
all:sever client
sever:sever.ccg++ -g -o $@ $^ -std=c++11
client:client.ccg++ -g -o $@ $^ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -rf sever client

完~

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