前言

学习了匿名管道之后，就会有一个疑问，是不是还有其他类型的管道，本文就详细讲解一下管道的另一种形式 -- 命名管道。

匿名管道详解：进程间通信--匿名管道【Linux】
匿名管道实例1：匿名管道实例--进程控制【Linux】
匿名管道实例2：匿名管道实例--进程池【Linux】

一、进程间通信目的

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。

通信背景

1.由于进程是具有独立性的，进程想交互数据，成本会非常高。但是有些情况下需要多进程处理一件事情。
2.进程独立并不是彻底独立，有时候我们需要双方能够进行一定程度的信息交互。

我们要学的进程间通信，不是告诉我们如何通信，是他们两个如何先看到同一份资源。（文件，内存块...等方式）

在这里插入图片描述 两个进程同时访问磁盘上的一个文件进行读写

但由于进程在磁盘上读写太慢，所以进程间通信一般读写内存中的文件。

在这里插入图片描述 两个进程同时访问内存上的一个文件进行读写

二、管道

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”

2.1 原理

父进程指向一个管道文件，子进程继承父进程的指向关系，从而子进程也指向管道，进行通信。在这里插入图片描述

2.2 特点

生活中管道的特点

都是单向的

管道是为了传输资源的 -- 数据

所以计算机中的管道 -- 单向的，传输数据的。

三、命名管道

管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。

如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。

命名管道是一种特殊类型的文件

特点

命名管道在文件系统中存储，它们被视为一种特殊的文件类型。它们的数据不会存储在磁盘上，而是存储在内存中。在磁盘上操作系统会为命名管道创建一个挂载点，以保证命名管道的存在。在这里插入图片描述

创建一个命名管道

命名管道可以从命令行上创建，命令行方法是使用下面这个命令：

$ mkfifo filename

命名管道也可以从程序里创建，相关函数有：

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

其中，filename是管道名称，mode是管道权限。

创建命名管道：

int main(int argc, char *argv[])
{
 mkfifo("p1", 0600);
 return 0;
}

匿名管道与命名管道的区别

匿名管道由pipe函数创建并打开。

命名管道由mkﬁfo函数创建，打开用open

FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义。

实例代码

用命名管道实现server和client通信

1. 头文件

头文件，包含库文件和管道路径

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define IPC_PATH "./.fifo"

头文件源代码

2. 服务端

我们让服务端实现读取客户端内容的功能，只需要用mkfifo创建，然后用open打开，其他操作与匿名管道相同。大致流程为：

①创建管道
②打开管道
③循环读取数据
④关闭管道
⑤结束程序

// 读取
#include "comm.h"
using namespace std;

int main()
{
    // 创建管道
    if(mkfifo(IPC_PATH, 0600) != 0)
    {
        cerr << "mkfifo error" << endl;
        return 1;
    }

    int pipeFd = open(IPC_PATH, O_RDONLY);
    if(pipeFd < 0)
    {
        cerr << "open fifo error" << endl;
        return 2;
    }

#define NUM 1024
    //正常的通信过程
    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        ssize_t s = read(pipeFd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if(s > 0)
        {
            buffer[s] = '\0';
            cout << "客户端->服务器# " << buffer << endl;
        }
        else if(s == 0)
        {
            cout << "客户退出啦，我也退出吧";
            break;
        }
        else
        {
            cout << "read: " << strerror(errno) << endl;
            break;
        }
    }
    close(pipeFd);
    unlink(IPC_PATH);
    cout << "客户端退出啦" << endl;
    return 0;
}

服务端源代码

3. 客户端

我们让客户端实现给服务端发送数据的功能，大致流程为：

①打开管道
②循环读取用户信息
③将信息输入管道中
④关闭管道结束程序

// 写入
#include "comm.h"
using namespace std;

int main()
{
    int pipeFd = open(IPC_PATH, O_WRONLY);
    if(pipeFd < 0)
    {
        cerr << "open: " << strerror(errno) << endl;
        return 1;
    }

#define NUM 1024
    char line[NUM];
    while(true)
    {
        printf("请输入你的消息# ");
        fflush(stdout);
        memset(line, 0, sizeof(line));
        if(fgets(line, sizeof(line), stdin) != nullptr)
        {
            line[strlen(line) - 1] = '\0';
            write(pipeFd, line, strlen(line));
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
    close(pipeFd);
    cout << "客户端退出啦" << endl;
    return 0;
}

客户端源代码

其中要注意的是，当我们用line接受用户数据时，会一并接受最后的换行符，所以在将数据输入管道时，需要处理换行符。

line[strlen(line) - 1] = '\0';

将换行符置为'\0'

输出样例

客户端发送消息，服务端可以同步接收

在这里插入图片描述可以看到，服务端和客户端的pid与ppid都毫无关系，是两个毫不相干的进程。

注意事项

当服务端没有写入数据的时候，客户端在等。所以，客户端写入之后，服务端才能read（会返回）到数据，服务端打印读取数据要以客户端的节奏为主。
客户端和服务端读写的时候是有一定的顺序性的。
管道内部，没有数据，读端就必须阻塞等待（read）。
管道内部，如果数据被写满，写端就必须阻塞等待（write）。
阻塞等待时，两个进程会把自己放在管道的等待队列里。
也就是说，pipe内部，自带访问控制机制（同步和互斥机制）。
而在两个进程各自printf（向显示器写入）时没有顺序，此时缺乏访问控制。

四、特征总结

命名管道可以实现任意两个进程间的通信。
管道只能单向通信（内核实现决定的），是半双工的一种特殊情况。
管道自带同步机制 -- 自带访问控制。
管道是面向字节流的，没有格式边界，需要用户来自定义区分内容的边界。
管道的生命周期，随进程退出而退出。

总结

本文详细介绍了进程间通信的一种方式 -- 管道，详细介绍了命名管道的原理和实现。大家也可以尝试去使用一下命名管道，这样可以更深入地了解其中的细节。喜欢的话，欢迎点赞支持和关注~

进程间通信--命名管道【Linux】

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