Linux | 匿名管道和命名管道：进程间通信数据流的桥梁

1、进程间通信目的

2、管道——匿名管道和命名管道

匿名管道

匿名管道的示例代码：将数据写入管道、子进程从管道读取数据并将其输出到bash中

父子进程通过匿名管道建立通信

重点：管道的五个特点

命名管道（也称为FIFO）

a. 创建命名管道 - mkfifo()

b. 使用open函数打开命名管道文件

c. 读写命名管道- read() 和 write()

d. 关闭和删除命名管道

例子：使用命名管道实现进程间的通信

1、进程间通信目的

进程间通信（IPC：Inter Processes Communication）是不同进程之间进行信息交互和状态传递的机制。为什么需要进程间通信呢？

主要有以下目的：

数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。这可以是任何类型的数据，例如文件内容、消息、命令等。
资源共享：多个进程之间共享同样的资源。这可以是共享内存、文件、网络连接等。通过进程间通信，它们可以协调使用这些资源。
通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它们发生了某种事件。例如，当一个进程终止时，它可以通知父进程。
进程控制：某些进程希望完全控制另一个进程的执行，例如调试进程。控制进程可以拦截另一个进程的陷入和异常，并实时了解其状态变化。

2、管道——匿名管道和命名管道

管道是一种最古老的进程间通信（IPC）机制，允许具有亲缘关系的进程（例如父子进程）之间进行通信。我们将从一个进程连接到另一个进程的数据流称为“管道”。

在Unix系统中，管道有两种类型：匿名管道和命名管道。

匿名管道

匿名管道是最常见的管道形式，用于在具有父子关系的进程之间传递数据。
使用pipe系统调用创建匿名管道，它返回一对文件描述符，其中fd[0]表示读端，fd[1]表示写端。
数据通过写入一个端并从另一个端读取来在进程之间传递。

#include <unistd.h>
功能:创建一无名管道
原型：
int pipe(int fd[2]);
参数：
fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
//0是嘴巴所以是读 1是笔所以是写
返回值:成功返回0，失败返回错误代码

匿名管道的示例代码：将数据写入管道、子进程从管道读取数据并将其输出到bash中

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
int main(void) {
    int fds[2];
    char buf[100];
    int len;
 
    if (pipe(fds) == -1) {
        perror("make pipe fail");
        exit(1);
    }

    // Read from stdin
    while (fgets(buf, 100, stdin)) {
        len = strlen(buf);

        // Write into the pipe
        // 此处体现了一切皆文件的思想(管道被当作文件描述符也可以使用系统文件接口)
        // 管道可以抽象为内存中的文件，不占用磁盘空间
        if (write(fds[1], buf, len) != len) {
            perror("write to pipe");
            break;
        }

        memset(buf, 0x00, sizeof(buf));

        // Read from the pipe
        if ((len = read(fds[0], buf, 100)) == -1) {
            perror("read from pipe");
            break;
        }

        // Write to stdout
        if (write(1, buf, len) != len) {
            perror("write to stdout");
            break;
        }
    }

    return 0;
}

父子进程通过匿名管道建立通信

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main() {
    int pipefd[2];
    pid_t pid;
    //pipe函数创建管道
    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //fork函数创建子进程
    pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //父子分流，子进程写、父进程读。
    if (pid == 0) { // 子进程
        close(pipefd[0]); // 关闭读端
        write(pipefd[1], "hello", 5); // 写入数据到管道
        close(pipefd[1]); // 关闭写端
        exit(EXIT_SUCCESS);
    } else { // 父进程
        close(pipefd[1]); // 关闭写端
        char buf[10] = {0};
        read(pipefd[0], buf, 10); // 从管道读取数据
        printf("buf=%s\n", buf);
        close(pipefd[0]); // 关闭读端
    }

    return 0;
}

重点：管道的四种情况和五个特点

管道的四种情况：

如果管道是空的，则读取端被阻塞
如果管道是满的，则写入端被阻塞
如果关闭了管道的读端，那管道没必要存在，被13号信号杀死
如果关闭了管道的写端，读取完毕后管道返回0，表示读到了文件末尾

管道的五个特点：

匿名管道只能用于有血缘关系的进程通信，常用于父子间通信。
管道内部实现了同步机制，读写具有明显的顺序性。
管道的生命周期是随进程的，随着进程使用管道而创建缓冲区, 随进程的退出而释放销毁。
管道通通信是面向字节流的，读写次数是可以不匹配的，读到的数据可能是单次残缺的，也可能是多次堆积的
管道通信是特殊的半双工模式，半双工是指支持读写，但不能同时读写，特殊在只支持信息的单向传递。

命名管道（也称为FIFO）

- 命名管道是一个管道文件，是一种具有持久性的管道，可以由不相关的进程使用。
- 使用$ mkfifo filename命令在命令行中创建管道或使用c语言中的系统调用接口int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);创建命名管道。
- 命名管道在文件系统中有一个路径名，允许不同进程通过该路径名进行通信。

a. 创建命名管道 - mkfifo()
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
pathname：要创建的命名管道的路径名。
mode：设置文件权限，通常使用八进制数，如 0666 表示读写权限。

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

int main() {
    if (mkfifo("/tmp/my_fifo", 0666) == -1) {
        perror("mkfifo error");
        return 1;
    }
    printf("Named pipe created successfully\n");
    return 0;
}

b. 使用open函数打开命名管道文件

open() 函数用于打开或创建文件，并返回一个文件描述符。

常用的语法格式如下：
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int fd = open("文件路径", 模式);
关于参数：
文件路径：可以使用相对路径或绝对路径。例如，"test.txt" 是相对路径，"/home/user/test.txt" 是绝对路径。
模式：
O_RDONLY：以只读方式打开文件。
O_WRONLY：以只写方式打开文件。
O_RDWR：以读写方式打开文件。
O_CREAT：如果文件不存在，创建新文件。

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

int main() {
    int fd = open("/tmp/my_fifo", O_WRONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open error");
        return 1;
    }
    printf("Named pipe opened successfully\n");
    close(fd);
    return 0;
}

c. 读写命名管道- read() 和 write()
#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
fd：文件描述符。
buf：数据缓冲区。
count：要读写的字节数。

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

int main() {
    int fd = open("/tmp/my_fifo", O_WRONLY);
    const char *message = "Hello, World!";
    write(fd, message, strlen(message));
    close(fd);

    fd = open("/tmp/my_fifo", O_RDONLY);
    char buffer[100];
    read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    printf("Received: %s\n", buffer);
    close(fd);
    return 0;
}

d. 关闭和删除命名管道
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int close(int fd);
int unlink(const char *pathname);
close(fd)：关闭文件描述符。
unlink(pathname)：删除文件或命名管道。

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

int main() {
    int fd = open("/tmp/my_fifo", O_WRONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open error");
        return 1;
    }
    close(fd);
    unlink("/tmp/my_fifo");
    printf("Named pipe closed and removed successfully\n");
    return 0;
}

例子：使用命名管道实现进程间的通信

1. 信息发送程序

#include "pipe.hpp" // 引入管道相关的头文件
using namespace std; // 使用标准命名空间

int main(int argc, char* argv[]) // 主函数
{
    // 检查命令行参数的数量是否正确
    if(argc != 2)
    {
        cout << "enter error " <<endl; // 如果参数数量不正确，输出错误信息
        return 1; // 并返回错误码1
    }
    
    int count = stoi(string(argv[1])); // 将命令行参数转换为整数，表示要发送的消息数量
    CreatePipe(); // 创建管道
    int wfd = OpenPipeWrite(); // 打开管道的写端

    string msg; // 定义一个字符串变量用于存储输入的消息
    while(count--) // 循环发送消息，直到count减到0
    {
        cin >> msg; // 从标准输入读取一条消息
        write(wfd, msg.c_str(), msg.size()); // 将消息写入管道
        sleep(1); // 每次写入后暂停1秒
    }

    DeletePipe(); // 删除管道

    return 0; // 程序正常结束，返回0
}

2. 信息接收程序

#include "pipe.hpp" // 引入管道操作相关的自定义头文件

int main()
{
    char buffer[MAX] = {0}; // 定义一个字符数组作为缓冲区，用于存储从管道读取的数据，初始化为0
    int fd = OpenPipeRead(); // 打开管道的读端，返回文件描述符

    while (1) // 无限循环，持续读取管道中的数据
    {
        int n = read(fd, buffer, MAX); // 从管道读取数据到缓冲区，返回读取的字节数
        if(n > 0) // 如果读取到数据
            cout << buffer << endl; // 输出缓冲区的内容
        else if(n == 0) // 如果没有数据可读（管道关闭）
            return 0; // 程序正常退出，返回0
        else // 如果读取过程中发生错误
            return 1; // 程序异常退出，返回1
    }

    return 0; // 正常情况下不会执行到这里，因为前面的循环是无限的
}

3. 头文件pipe.hpp

#include<iostream> // 引入标准输入输出库
#include<sys/types.h> // 引入系统类型定义
#include<sys/stat.h> // 引入文件状态定义
#include<cstdio> // 引入标准输入输出库
#include<fcntl.h> // 引入文件控制选项定义
#include <string> // 引入字符串库
#include<unistd.h> // 引入UNIX标准函数定义
#include<cstring> // 引入字符串操作
const char* pipepath = "./mypipe"; // 定义管道路径
mode_t pipemode = 0666; // 定义管道的权限模式
const int MAX = 1024; // 定义最大缓冲区大小
using std::cout; // 使用命名空间std中的cout
using std::cin; // 使用命名空间std中的cin
using std::endl; // 使用命名空间std中的endl

// 创建命名管道的函数
bool CreatePipe()
{
    // 使用mkfifo创建命名管道，如果创建失败则输出错误信息并返回false
    if(mkfifo(pipepath, pipemode) < 0)
    {
        perror("mkfifo error"); // 输出错误信息
        return false; // 返回false表示创建失败
    }
    cout << "mkfifo success" << endl; // 输出创建成功的信息
    return true; // 返回true表示创建成功
}

// 打开管道的通用函数
int OpenPipe(int flags)
{
    return open(pipepath, flags); // 使用open函数打开管道，返回文件描述符
}

// 打开管道读端的函数
int OpenPipeRead()
{
    return OpenPipe(O_RDONLY); // 以只读模式打开管道
}

// 打开管道写端的函数
int OpenPipeWrite()
{
    return OpenPipe(O_WRONLY); // 以只写模式打开管道
}

// 删除命名管道的函数
void DeletePipe()
{
    unlink(pipepath); // 使用unlink函数删除管道
}