【Linux】进程间通信（2）：命名管道

一、命名管道的概念

二、命名管道与匿名管道的区别

1、常规区别

2、读写阻塞的区别

3、存储位置和数据处理的区别

匿名管道

命名管道

三、命名管道的创建与使用

1、在命令行中命名管道的创建与使用

2、在编程中命名管道的创建与使用

2、示例代码

四、命名管道的应用—模拟简易的应用端与客户端通信

一、命名管道的概念

命名管道（FIFO，First In First Out）是一种特殊的文件类型，用于在不同进程之间进行数据交换。它的设计允许一个进程将数据写入管道，而另一个进程从管道中读取数据。这种机制使得不同进程能够通过管道进行通信，而不需要直接共享内存或使用其他复杂的同步机制。

二、命名管道与匿名管道的区别

1、常规区别

命名管道:
- 命名管道是一个在文件系统中存在的特殊文件，具有一个路径名，允许不同进程通过该路径名进行数据通信。
- 可以通过 mkfifo() 系统调用创建，并且可以在文件系统中查看和操作。
- 命名管道在文件系统中具有可见性，可以通过路径名进行访问，任何进程只要知道管道的名称都可以进行读写操作。
- 适用于不同进程之间的通信，尤其是没有亲缘关系的进程（例如在不同的终端或不同的应用程序之间）。由于命名管道在文件系统中存在，适合需要跨多个会话或长期运行的进程通信的场景。
匿名管道:
- 匿名管道没有名称，通常用于具有亲缘关系的进程（例如父进程和子进程）之间的通信。
- 其创建通常通过 pipe() 系统调用实现，返回一对文件描述符（读写端）。
- 匿名管道在创建后不具有名称，无法在文件系统中访问。只能通过创建它的进程及其子进程进行通信，其他进程无法直接访问。
- 主要用于具有亲缘关系的进程之间的通信，如父进程和子进程。适合于短期的、临时的通信需求。常用于简单的数据传输，尤其是在创建子进程后立即进行数据传输时。

2、读写阻塞的区别

命名管道在管道读写阻塞的规则上与匿名管道相似，读取和写入操作均会在相应条件下发生阻塞。如果一个进程尝试从空的命名管道中读取数据，它会被阻塞，直到有数据写入管道。同样，如果管道缓冲区已满，写入操作也会阻塞，直到有足够的空间。

但在创建管道文件完成后仍有区别。

匿名管道:
- 当使用pipe系统调用创建匿名管道成功时，管道的读写两端自动打开。
- 无需使用open函数对匿名管道文件进行读写打开的操作。直接调用write和read函数对匿名管道进行读写即可。
命名管道:
- 当成功创建FIFO文件后，管道的读写两端需要进程主动使用open()系统调用函数打开。
- 如果进程以只读的方式打开FIFO文件，open会阻塞，等待有进程以写的方式打开此FIFO文件才会成功返回（阻塞过程可以被信号打断）。如果使用open函数时，O_NONBLOCK标志被置位，则当没有写进程时，不进行阻塞等待，直接返回成功。
- 类似的，如果进程以只写的方式打开FIFO文件，open会阻塞，等待有进程以读的方式打开此FIFO文件才会成功返回（阻塞过程可以被信号打断）。如果使用open函数时，O_NONBLOCK标志被置位，则当没有读进程时，不进行阻塞等待，直接返回错误，错误码为ENXIO。
- 如果以读+写的方式打开FIFO文件，则不会发生阻塞。但单个管道用于单向通信，最好不要在同一个进程中同时以读+写的方式打开！！！

3、存储位置和数据处理的区别

匿名管道

存储位置:
- 仅存在于内存中：匿名管道不涉及文件系统，它们完全在内存中实现。它们没有文件路径，因此不在文件系统中存在，而是作为内存中的数据缓冲区来进行通信。
- 独立于文件系统：匿名管道是进程间通信的一种机制，仅在创建它的进程及其子进程中存在。它们的生命周期通常由创建它们的进程控制，当进程结束时，匿名管道也随之消失。
数据处理:
- 数据在内存中的缓冲区中处理，读写操作都是通过内存进行的。写入的数据会在内存中缓冲，直到被读取。在此过程中，数据不会被写入到磁盘。

命名管道

存储位置:
- 文件系统中的特殊文件：命名管道通过 mkfifo() 系统调用创建，这会在文件系统中创建一个特殊的文件，这个文件代表命名管道。该文件存在于磁盘上的文件系统中，可以通过路径名进行访问。
- 元数据存储：命名管道的元数据（如管道的名字、权限等）存储在文件系统中，这使得它们在系统重启后仍然存在（即文件系统中的信息不会丢失）。
数据处理:
- 内存中的数据流：虽然命名管道的路径名和元数据存储在磁盘上，但实际的数据流经管道的过程中会在内存中进行缓冲。写入的数据首先会存储在内存中的缓冲区中，直到被读取。在此过程中，数据不会被写入到磁盘——即文件的内容大小永远为0！

三、命名管道的创建与使用

1、在命令行中命名管道的创建与使用

1. 创建命名管道

使用 mkfifo 命令来创建一个命名管道。mkfifo 命令会在文件系统中创建一个特殊的文件，代表命名管道。例如：

mkfifo /pathname/fifo

其中 /pathname/是命名管道的路径，fifo是命名管道的名称。例如：

这会在当前目录下创建一个名为 fifo 的命名管道。

可以看出fifo是一种特殊的管道文件。

2. 使用命名管道

命名管道的使用可以通过标准输入/输出操作进行。

以下是一个简单的示例，展示如何使用命名管道在两个进程之间进行通信。

步骤：

在一个终端中，启动一个读取进程：
```
cat /pathname/myfifo
```
这个进程会等待从管道中读取数据。
在另一个终端中，启动一个写入进程：
```
echo "Hello from the other side!" > /pathname/myfifo
```
这条命令将数据写入到管道中，读取进程会立即接收到数据并输出。

3. 清理

如果不再需要命名管道，可以使用 rm 命令删除它：

rm /tmp/myfifo

这会从文件系统中删除 /tmp/myfifo 命名管道文件。

2、在编程中命名管道的创建与使用

1、认识mkfifo系统调用函数

函数原型

在 C 语言中，mkfifo() 的函数原型定义在 <sys/stat.h> 头文件中，如下所示：
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
参数

pathname: 指定要创建的命名管道的路径和文件名。路径可以是绝对路径或相对路径。
mode: 指定命名管道的权限。这个参数是一个八进制数，用于设置文件的权限。例如，0666 代表所有用户都有读写权限。

返回值

成功时返回 0。
失败时返回 -1，并设置 errno 来指示错误类型。

常见错误

EEXIST: 指定的路径已经存在，且不是一个 FIFO 文件。
ENOSPC: 文件系统没有足够的空间来创建文件。
EACCES: 没有权限创建文件。

2、示例代码

以下是一个简单的示例程序，演示如何使用 mkfifo() 创建命名管道，并用 open(), write(), 和 read() 操作它，需要注意的是：以下是三个不同的程序，运行时即为三个不同的进程，必须要先创建好命名管道才能对其进行读写！！！

（1）、创建命名管道

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define FIFO_NAME "/tmp/myfifo"

int main() {
    // 创建命名管道
    if (mkfifo(FIFO_NAME, 0666) == -1) {
        perror("mkfifo");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 成功创建后，程序会在此停留
    printf("FIFO %s created successfully.\n", FIFO_NAME);
    return 0;
}

（2）、写入数据到命名管道

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define FIFO_NAME "/tmp/myfifo"

int main() {
    int fd;
    const char *message = "Hello from the writer!";

    // 打开命名管道
    fd = open(FIFO_NAME, O_WRONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 写入数据
    if (write(fd, message, sizeof(message)) == -1) {
        perror("write");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Message written to FIFO: %s\n", message);

    // 关闭文件描述符
    close(fd);
    return 0;
}

（3）、读取数据从命名管道

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define FIFO_NAME "/tmp/myfifo"

int main() {
    int fd;
    char buffer[100];

    // 打开命名管道
    fd = open(FIFO_NAME, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 读取数据
    if (read(fd, buffer, sizeof(buffer)) == -1) {
        perror("read");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Message read from FIFO: %s\n", buffer);

    // 关闭文件描述符
    close(fd);
    return 0;
}

四、命名管道的应用—模拟简易的应用端与客户端通信

场景模拟：客户端向服务端发送信息，服务端接收信息后对信息进行处理。

场景实现：

1、客户端与服务端分别为两个不同的进程，当服务端开始运行时需要创建一个通信管道作为信息传输的媒介。

2、客户端通过向管道中写入信息，服务端从管道中读取信息，服务端拿到信息后再对信息进行处理，进而实现不同进程间的通信。

需要注意的是，当程序退出时，我们应该主动删除命名管道文件，防止资源浪费，在这里介绍一个函数unlink()：

unlink 函数用于删除文件系统中的文件或链接。在 Linux 系统中，unlink 是一个系统调用，它从文件系统中删除指定路径的文件名。如果这个文件名是该文件的最后一个名字，文件数据会被实际删除；如果还有其他文件名引用这个文件的数据，文件数据会保留，直到所有引用它的文件名都被删除。

函数原型
#include <unistd.h>

int unlink(const char *pathname);
参数

pathname: 要删除的文件的路径。

返回值

成功时返回 0。

失败时返回 -1 并设置 errno 以指示错误类型。

常见错误

ENOENT: 指定的文件不存在。

EACCES: 权限被拒绝，无法删除文件。

EPERM: 操作不允许，如尝试删除一个目录而不是普通文件（虽然 unlink 只对文件有效，删除目录应该使用 rmdir）。

用法示例

如何使用 unlink删除一个文件：
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>

void deleteFile(const char* filepath) {
    if (unlink(filepath) == -1) {
        std::cerr << "Error deleting file: " << std::strerror(errno) << std::endl;
    } else {
        std::cout << "File deleted successfully." << std::endl;
    }
}

int main() {
    const char* filePath = "./myfifo";
    deleteFile(filePath);
    return 0;
}
备注

unlink只能删除文件，而不能删除目录。如果你需要删除目录，请使用rmdir。

unlink对于 FIFO（命名管道）和常规文件的行为相同。当 FIFO 文件没有任何进程打开时，它会被删除。

使用场景

在程序结束时或在不再需要时删除临时文件。
删除命名管道（FIFO），如在 IPC（进程间通信）中创建的 FIFO 文件。

确保在适当的时候调用 unlink，例如在程序退出时，如果程序中使用了 mkfifo创建 FIFO 文件时，应主动调用unlink函数删除fifo文件，以避免留下不必要的文件。

头文件：namedpipe.hpp

#pragma once
#include <unistd.h>
#include <cerrno>
#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string>
#include <cstring>

#define PATHNAME "./myfifo"

#define READER 0
#define WRITER 1
#define LIMIT 0666
#define BUFFER_SIZE 256

class NamePipe
{
private:
    std::string _path;
    int _fd;
    int _identity;
public:
    NamePipe(const std::string& path, int identity)
    :_path(path), _identity(identity), _fd(-1)
    {
        if(_identity == READER){
            if(mkfifo(PATHNAME, LIMIT) == -1){
                perror("create fifo fail!");
                exit(-1);
            }
        }
    }
    ~NamePipe(){
        if (_identity == READER)
        {
            int res = unlink(_path.c_str());
            if (res != 0)
            {
                perror("unlink fail!");
            }
        }
        Close();
    }
    void OpenForRead()
    {
        if((_fd = open(_path.c_str(), O_RDONLY, LIMIT)) == -1){
                perror("open for read fail!");
                exit(-1);
            }
            else{
                std::cout << "客户端准备进行通信..." << std::endl;
            }
        
    }
    int Read()
    {
        int r_num = 0;
        char buffer[BUFFER_SIZE];
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
        if((r_num = read(_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1)) == -1){
            perror("read fail!");
            return -1;
        }
        else if(r_num == 0)
        {
            std::cout << "客户端关闭，通信终止..." << buffer << std::endl;
            return 0;
        }
        else {
            buffer[r_num] = '\0';
            std::cout << "读取信息为：" << buffer << std::endl;
        }
        return r_num;
    }
    void OpenForWrite()
    {
        if((_fd = open(_path.c_str(), O_WRONLY, LIMIT)) == -1){
                perror("open for read fail!");
                exit(-1);
            }
        else{
            std::cout << "服务端端准备进行通信..." << std::endl;
        }
    }
    void Write(const std::string& buffer)
    {
        int w_num = 0;
        if((w_num = write(_fd, buffer.c_str(), buffer.size())) == -1){
            perror("read fail!");
            exit(-1);
        }
        else{
            std::cout << "写入信息成功！" << std::endl;
        }
    }
    void Close()
    {
        close(_fd);
    }
};

makefile：

.PHONY:all
all:server client

server:server.cc
	g++ server.cc -o server

client:client.cc
	g++ client.cc -o client

.PHONY:clean
clean:
	rm -f client server

server.cc

#include "namedpipe.hpp"

int main()
{
    NamePipe fifo(PATHNAME, READER);
    fifo.OpenForRead();
    while (true)
    {
        int ret = fifo.Read();
        if (ret == 0)
        {
            std::cout << "Client quit, Server Too!" << std::endl;
            break;
        }
        else if (ret == -1)
        {
            std::cout << "ReadNamedPipe Fail!" << std::endl;
            break;
        }
    }
    return 0;
}

client.cc:

#include "namedpipe.hpp"

int main()
{
    NamePipe fifo(PATHNAME, WRITER);
    fifo.OpenForWrite();
    std::string buffer;
    while(true)
    {
        std::cout << "请输入信息：";
        std::getline(std::cin, buffer);
        fifo.Write(buffer);
    }
    return 0;
}