【Linux】深度探秘命名管道：Linux 进程通信的无声桥梁

原创

Yui_

发布于 2024-11-18 16:43:12

13700

代码可运行

文章被收录于专栏：Linux

运行总次数：0

代码可运行

0.好事发生

在文章开始之前，推荐一篇值得阅读的好文章！感兴趣的也可以去看一下，并关注作者！

如果你对机器学习感兴趣的话，今天的推荐文章可以帮你提高机器学习的效率。

文章链接：https://cloud.tencent.com/developer/article/2466294

通过这篇文章，可以帮助你深入的了解提升机器学习模型表现的三大核心技术。

🏠 大家好，我是Yui_，一位努力学习C++/Linux的博主~💬

1.什么是命名管道

在 Unix/Linux 系统中，管道（Pipe）是一种重要的进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）机制。除了前面介绍的匿名管道（Anonymous Pipe），系统还提供了命名管道（Named Pipe），通常称为 FIFO（First In, First Out）。命名管道通过一个在文件系统中存在的路径名来标识，使得不相关的进程之间也能通过它进行通信。

命名管道是一种特殊类型的文件，它在文件系统中有一个明确的名称，可以被多个进程打开和访问。与匿名管道不同，命名管道不局限于具有亲缘关系的进程（如父子进程），任何具有访问权限的进程都可以通过命名管道进行通信。

我们可以把命名管道看成”挂名“的匿名管道，把匿名管道加入文件系统中，但仅仅是挂个名而已，目的是为了人其他进程也能看到也看到这个文件（文件系统中的文件可以被所有的进程看到）

注意：

命名管道虽然能在文件系统被看到，但是它是没有Data block的，也就它不会存储在磁盘中，是一个内存文件。所以命名管道这个特殊文件大小为0

1.2 命名管道的特点

持久性：命名管道存在于文件系统中，直到被删除。即使创建它的进程退出，命名管道仍然存在，等待其他进程的连接。
双向通信：虽然管道本质上是半双工的（单向），但通过两个命名管道可以实现全双工通信。
跨进程通信：命名管道允许不相关的进程之间进行通信，只需知道管道的路径即可。
无需父子关系：任何进程都可以打开命名管道进行读写，不需要继承关系。2. 创建命名管道创建命名管道有两种方法：
1. 直接在命令行上创建。

在程序中创建。

在命令行创建：

mkfifo mypipe

效果如下：

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/pipeTest/namePipe$ mkfifo mypipe
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/pipeTest/namePipe$ ls -l
total 0
prw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 0 Nov 15 19:56 filename
prw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 0 Nov 15 20:21 mypipe

2.1 在C程序中创建命名管道

为了在C程序中创建命名管道，我们需要用到的函数也是mkfifo。

mkfifo：

头文件：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

格式：

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

参数介绍：

pathname
- 命名管道的路径名。
- 在文件系统中创建一个文件，代表命名管道。
mode - 管道文件的权限（类似于文件的权限），是一个 mode_t 类型值。 - 常见值： - 例如 0666，允许所有用户读写。 - mode 会受到 进程的 umask 设置 的影响。为了防止mode的设置被umask影响，可以事先将umsak设置为0，umask(0). 返回值：成功：0 失败：-1，并设置error 下面我来实现一个进程向另一个进程发送信息：客户端：client.cc

//客户端向服务端发送消息
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <cstring>
#include <fcntl.h>
#include "common.hpp"

using namespace std;

int main()
{
    int mf = mkfifo(pipePath,md);
    if(mf<0)
    {
        perror("mkfifo");
        exit(1);
    }
    //打开管道
    int fd = open(pipePath,O_WRONLY);//以写方式打开
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        exit(1);
    }
    //char data[SIZE];
    string data;
    while(true)
    {
        //开始写入数据
        cout<<"cilent message# ";
        getline(cin,data);
        if(data == "exit")
            break;
        ssize_t n = write(fd,data.c_str(),data.size());
        if(n<0)
        {
            perror("write");
            exit(1);
        }

    }
    //退出客户端
    cout<<"exit"<<endl;
    close(fd);

    return 0;
}

服务端：server.cc

//服务端接受客户端的信息
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <cstring>
#include <fcntl.h>
#include "common.hpp"

using namespace std;

int main()
{
    //打开管道
    int fd = open(pipePath,O_RDONLY);//以读的方法
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        exit(1);
    }
    char data[SIZE];
    while(true)
    {
        int n = read(fd,data,sizeof(data)-1);
        if(n<0)
        {
            perror("read");
            exit(1);
        }
        else if(n == 0)
        {
            //写端关闭
            cout<<"写端关闭"<<endl;
            break;
        }
        data[n] = 0;
        cout<<"client say:"<<data<<endl;
    }
    
    close(fd);
	if (unlink(pipePath) == -1) {
	perror("unlink failed");
	return 1;
    }//关闭管道
    return 0;
}

公共文件：common.hpp

#pragma once
#define SIZE 1024
//存储管道的路径+名字
const char* pipePath = "./myPipe";
//也可以用绝对路径，当然相对路径更简单

//设置mask
mode_t md = 0666;

效果图：

3. 命名管道的工作原理

再次回到文件系统：当重复多次打开一个文件时，并不会费力的打开多次，而是在第一次的基础上对struct_file结构体中的引用计数自增1，所以对于同一个文件，不同的进程打开了，看到的就是同一个。

这也是管道实现的本质：让不同的进程看到同一块空间。

因为命名管道适用于独立的进程IPC，所以无论是读端还是写端，进程A,进程B为其分配的文件描述符都是3。

我们知道如果是匿名管道，因为是依靠继承才看到同一文件的，所以读写端的fd是不一样的。

3.1 命名管道和匿名管道的区别与联系

3.1.1 命名管道与匿名管道的区别

匿名管道只能用于具有血缘关系的进程间通信；而命名管道就不一样了，无论有没有血缘关系都可以。#pragma once #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <cstdlib> #include <iostream> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <cstring> #define SIZE 1024 //打开拷贝的文件路径 const char* filePath = "./file.txt"; //要打开的管道路径 const char* pipePath = "./pipe"; //mask码设置 mode_t md = 0666;
匿名管道是通过pipe函数创建出来了；而命名管道需要先通过mkfifo函数创建，然后再通过open打开使用。
当出现多条匿名管道时，可能会出现写端fd被重复继承的情况；而命名管道就不会出现这种情况。3.1.2 命名管道和匿名管道的联系
两个都是属于管道，都是操作系统中最古老的进程通信方式，都自带有同步和异步机制，提供的都是流式数据传输与匿名管道相同的也有在这4个场景下的处理
管道为空时，读端堵塞，等待写端写入数据。
管道已满时，写端堵塞，等待读端读取数据。
进程通信时，关闭读端，OS发出13号信息SIGPIPE终止写端进程。
进程通信时，关闭写端，读端读取到0字节数据，可以凭借这个特征来终止进程。4.命名管道的简单应用我们可以利用命名管道来实现一些简单的功能，加强我们对命名管道的理解。现在我们打算实现的文件拷贝小程序。我们可以利用命名管道实现不同进程间IPC，也就是一个进程读取文件中的内容然后写进管道当中，然后另一个进程在通过管道将数据读出保存到新的文件，如此一来就是实现了一个进程的文件拷贝功能。这也是在网络上下载应用的方式，因为下载应用的本质就是下载文件，我们将服务器看作写端，自己的电脑看作读端，那么下载这个动作的本质就是IPC，不过是在网络层面实现的。 公共区域common.hpp：

服务端server.cc

/**
 * 服务端通过命名管道将本地文件拷贝到客户端
 * 先打开命名管道，再打开需要被拷贝的文件，将文件通过命名管道发送给另一个程序
 * 
 */

#include "common.hpp"

int main()
{
    //创建命名管道
    if(mkfifo(pipePath,md) == -1)
    {
        perror("mkfifo");
        exit(1);
    }
    //打开管道
    int fd = open(pipePath,O_WRONLY);
    if(fd == -1)
    {
        perror("open");
        exit(1);
    }
    //打开需要被拷贝的文件
    FILE* fp = fopen(filePath,"r");
    if(fp == nullptr)
    {
        perror("fread");
        exit(1);
    }
    //将文件传给管道
    char buf[SIZE];
    size_t bytes = 0;
    while(true)
    {
        size_t n = fread(buf,1,sizeof(buf),fp);
        if(n>0)
        {
            //写入管道
            ssize_t sst = write(fd,buf,n);
            if(sst == -1)
            {
                perror("write");
                close(fd);
                fclose(fp);
                exit(1);
            }
            bytes+=n;
        }
        // 检查是否到达文件末尾或出错
        if (n < sizeof(buf)) {
            if (feof(fp)) {
                break; // 文件读取完毕
            }
            if (ferror(fp)) {
                perror("fread");
                fclose(fp);
                close(fd);
                exit(1);
            }
        }
    }
    std::cout<<"传递字节数"<<bytes<<std::endl;
    fclose(fp);
    close(fd);
    unlink(pipePath);
    return 0;
}

客户端client.cc

//客户端接受服务端的文件
/**
 * 客户端接受服务端的文件
 * 打开命名管道，开始读取服务端传递给客户端的信息
 */
#include "common.hpp"

int main()
{
    
    //打开管道,读取管道数据
    int fd = open(pipePath,O_RDONLY);
    if(fd == -1)
    {
        perror("open");
        exit(1);
    }
    
    //将读取的数据打印到显示屏
    char buf[SIZE];
    ssize_t n = read(fd,buf,sizeof(buf)-1);
    if(n == -1)
    {
        perror("read");
        exit(1);
    }
    std::cout<<"文件内容：\n"<<buf<<"读取字节数："<<n<<std::endl;

    close(fd);
    return 0;

}

运行结果：