【Linux】深度探秘命名管道：Linux 进程通信的无声桥梁

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文章目录

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。
2. 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 1519:56 filename
prw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 0 Nov 1520:21 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：

intmkfifo(constchar*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"usingnamespace std;intmain(){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);return0;}

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"usingnamespace std;intmain(){//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);}elseif(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");return1;}//关闭管道return0;}

公共文件：

common.hpp

#pragmaonce#defineSIZE1024//存储管道的路径+名字constchar* 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。
• 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

1. 管道为空时，读端堵塞，等待写端写入数据。
2. 管道已满时，写端堵塞，等待读端读取数据。
3. 进程通信时，关闭读端，OS发出13号信息SIGPIPE终止写端进程。
4. 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

：

#pragmaonce#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<cstdlib>#include<iostream>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<cstring>#defineSIZE1024//打开拷贝的文件路径constchar* filePath ="./file.txt";//要打开的管道路径constchar* pipePath ="./pipe";//mask码设置
mode_t md =0666;

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"intmain(){//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);return0;}

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"intmain(){//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);return0;}

运行结果：

此时服务端是写端，客户端是读端，实现的是下载服务；当服务端是读端，客户端是写端是，实现的就是上传服务，搞两条管道就能实现模拟简单的数据双向传输服务。
注意：创建管道文件后，无论先启动读端还是启动写端，都要堵塞式的等待另一方进行交互。

往期Linux文章：Linux专栏

5.总结

作为匿名管道的兄弟，命名管道具备匿名管道的大部分特性，使用方法也基本一致，不过二者在创建和打开方式上各有不同：匿名管道简单，但只能用于具有血缘关系进程间通信，命名管道虽麻烦些，但适用于所有进程间通信场景。