linux多线(进)程编程——（4）进程间的传音术（命名管道）

已于 2025-04-23 00:38:29 修改
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分类专栏： linux操作系统 文章标签： linux c语言 嵌入式
于 2025-04-13 12:42:51 首次发布
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前言（前情回顾）

进程君（父进程）在开发出匿名管道这门传音术后，解决了和自己孩子（子进程）间的沟通问题，父子关系趋于融洽。和孩子沟通后，进程君发现，自己脱离群众太久了，应该加强和群众的沟通。但是进程君与众位道友间没有血缘关系，无法使用匿名管道进行沟通。于是进程君决定改良匿名管道这种技术，让天下道友都能与自己畅通无阻的沟通，最终产生了一种无暇的传音技术——命名管道（FIFO）。

命名管道

我在上一篇文章中提到过：
“两个没有血缘关系的进程间可以同时打开相同的文件，进程内部分配对应的文件描述符，映射关系记录在PCB中，而两个进程间的fd分配时独立的，也就是fd在多进程中不是唯一的。当然我们也可以在进程1中向文件1写入数据，进程2从文件1中读取数据，构成一个伪管道。”
在这里插入图片描述
其实这里面的伪管道就是命名管道的意思。创建一个命名管道就是在Linux文件系统下创建一个特殊的fifo文件。与匿名管道的区别是，匿名管道也是文件，但它对文件系统不可见。而命名管道是一个可以在文件系统中看见的文件。

命名管道的创建：mkfifo()

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);

这里的filename是一个字符串，描述了命名管道在文件系统中的路径，当字符串中没有‘/’出现是则管道创建在当前目录下。mode一般为0777，对应一个权限掩码，这里不做重点。直接写入即可。
我们先测试一下这个函数，在这里我创建了三个命名管道分别为demo1，demo2，demo3，编译后运行：

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

int main() {
    int res1 = mkfifo("demo1",0777);		// 创建于当前路径下
    int res2 = mkfifo("./demo2",0777);		// 创建于当前路径下
    int res3 = mkfifo("../demo3",0777);		// 创建于上一级路径下
    while(1);
    return 0;
}

观察运行前后的工程目录
在这里插入图片描述
可以发现运行后我们的工程目录下出现了三个新的文件，这三个文件就是我们的命名管道。这就是命名管道对文件系统是可见的这句话的含义。
相信一些脑洞大开的道友已经有了想法，既然命名管道在文件系统中可见，也就说明所有的进程都可以访问这个文件，那么只要我向这个进程中读写文件，是不是就完成了进程间的通信？
答案是：完全正确
如何实现对文件的读和写？不清楚的道友可以去看我之前写的一篇文章：linux多线(进)程编程——（1）前置知识
我们直接上代码，为了体现出命名管道与匿名管道的区别，这次我们要真正实现在两个程序间通信，所以我们要写两个C语言源文件。

proc1.c：创建命名管道并且向命名管道内写入数据

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

int main() {
    int res1 = mkfifo("fifo_demo",0777);
    int wfd = open("fifo_demo", O_WRONLY);
    
    if(wfd < 0) printf("proc1 : fifo creat fail\n");
    else printf("proc1 : the fifo fd is : %d\n", wfd);

    char send_buf[20];
    bzero(send_buf, 20);
    memcpy(send_buf, "hello, world!", 14);
    while(1) {
        printf("proc1 : proc1 is writting\n");
        write(wfd,send_buf, 20);
        printf("proc1 : proc1 has send the data\n");
        sleep(1);
    }
	
	close(wfd);
	printf("proc1 : fifo is closed\n");
    return 0;
}

proc2.c：接收管道内的数据

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

int main() {
    usleep(500*1000);
    int rfd = open("fifo_demo", O_RDONLY);
	if(rfd < 0) printf("proc2 : fifo creat fail\n");
    else printf("proc2 : the fifo fd is : %d\n", rfd);

    char recv_buf[20];
    sleep(5);
    while(1) {
        bzero(recv_buf, 20);
        read(rfd,recv_buf, 20);
        printf("proc2 : proc2 reviced : %s\n", recv_buf);
        sleep(1);
    }
    
    close(rfd);
    printf("proc2 : fifo is closed\n");
    return 0;
}

在命令行中运行程序，其中后面加一个&，表示在后台运行，让出终端

lol@qingfenfuqin:~/work/linux_study/pipe/fifo$ ./proc1&
[1] 9729
lol@qingfenfuqin:~/work/linux_study/pipe/fifo$ ./proc2
proc1 : the fifo fd is : 3
proc2 : the fifo fd is : 3
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc2 : proc2 reviced : hello, world!
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc2 : proc2 reviced : hello, world!
...

注意：
（1）在两个程序中每次写入和读取的字节数量保持一致。
（2）在程序编写时就应该知道管道的名字。
（3）管道是单工通信，开发时不能又读又写，仅能以只读(O_RDONLY)或者只写(O_WRONLY)打开。

关于管道的偏难怪问题

（1）当管道以只读或只写创建/打开时，进程会被阻塞，直到另一段也以另一种方式创建管道。
例如：进程1中我们以只写（write only）的方式创建了管道，当我们只运行进程1时，不会有任何输出，进程1被阻塞：

lol@qingfenfuqin:~/work/linux_study/pipe/fifo$ ./proc1


# 这里没有任何输出，进程1被阻塞

我们拆分终端，运行进程2，进程2中使用只读（read only）的方式打开管道，当进程2开始运行时进程1马上停止阻塞并开始输出信息：

lol@qingfenfuqin:~/work/linux_study/pipe/fifo$ ./proc1



proc1 : the fifo fd is : 3
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
...

（2）读一个空的管道会出现两种情况：一、当写端口未关闭时，暨未调用close(fd[1])时，进程会被阻塞，等待管道内有信号。二、当写端口关闭时，read函数返回0。
情况一：当写端口未关闭时，暨未调用close(fd[1])时，进程会被阻塞，等待管道内有信号。
我们将proc1.c修改为发送三个数据后停止发送，但是不关闭管道，进程进入死循环
proc1.c:

int main() {
    int res1 = mkfifo("fifo_demo",0777);
    int wfd = open("fifo_demo", O_WRONLY);
    if(wfd < 0) printf("proc1 : fifo creat fail\n");
    else printf("proc1 : the fifo fd is : %d\n", wfd);

    char send_buf[20];
    bzero(send_buf, 20);
    memcpy(send_buf, "hello, world!", 14);

    int i = 0;
    while(i++<3) {
        printf("proc1 : proc1 is writting\n");
        write(wfd,send_buf, 20);
        printf("proc1 : proc1 has send the data\n");
        sleep(1);
    }

    while(1);
    close(wfd);
    printf("proc1 : the fifo fd is closed\n");
    return 0;
}

proc2.c不做修改，仍然是睡眠5秒钟后接收数据。
终端输出为如下所示，proc1在proc2睡眠的5秒钟内向管道内发送了三条消息，之后进入while(1);死循环，而proc2苏醒后，先讲管道内数据读出后，检测到写端口没有被关闭(调用close(wfd);)，因此proc2进入阻塞状态等待可能来自写端口的消息。

lockin@qingfenfuqin:~/work/linux_study/pipe/fifo$ ./proc1&
[1] 13486
lockin@qingfenfuqin:~/work/linux_study/pipe/fifo$ ./proc2
proc2 : the fifo fd is : 3
proc1 : the fifo fd is : 3
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc2 : proc2 reviced : hello, world!
proc2 : proc2 reviced : hello, world!
proc2 : proc2 reviced : hello, world!
	# 进程2 proc2.c 被阻塞不会有任何输出

情况二：当写端口关闭时，read函数返回0。
我们将proc1.c修改为发送三个数据后停止发送并关闭写端口。
proc1.c:

int main() {
    int res1 = mkfifo("fifo_demo",0777);
    int wfd = open("fifo_demo", O_WRONLY);
    if(wfd < 0) printf("proc1 : fifo creat fail\n");
    else printf("proc1 : the fifo fd is : %d\n", wfd);

    char send_buf[20];
    bzero(send_buf, 20);
    memcpy(send_buf, "hello, world!", 14);
    
    int i = 0;
    while(i++<3) {
        printf("proc1 : proc1 is writting\n");
        write(wfd,send_buf, 20);
        printf("proc1 : proc1 has send the data\n");
        sleep(1);
    }
    close(wfd);
    printf("proc1 : the fifo fd is closed\n");
    return 0;
}

接收端proc2.c不做任何修改，仍然是睡眠5秒钟后接收数据。
输出如下所示，和刚刚不同的时，proc1发送完消息后就调用了close(wfd);关闭了管道，此时proc2将管道读空后，不会阻塞，而是继续读管道，但由于管道为空，因此一直返回空消息。

lockin@qingfenfuqin:~/work/linux_study/pipe/fifo$ ./proc1&
[1] 12138
lockin@qingfenfuqin:~/work/linux_study/pipe/fifo$ ./proc2
proc2 : the fifo fd is : 3
proc1 : the fifo fd is : 3
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : the fifo fd is closed
proc2 : proc2 reviced : hello, world!	# 睡眠5秒钟后开始读数据，此时管道内有数据
proc2 : proc2 reviced : hello, world!
proc2 : proc2 reviced : hello, world!
proc2 : proc2 reviced : 				# 管道内无数据，返回空
proc2 : proc2 reviced : 
proc2 : proc2 reviced : 
...

（3）写入数据时，若管道已经满了则进程被阻塞。若管道中没有读端口开启，则会返回一个异常，之后进程被终止。
我们不讨论进程满的情况，我们现在只看后半部分，暨写入数据时读数据端被关闭。
我们将读端proc2.c更改为等待5秒钟后关闭。

int main() {
    usleep(500*1000);
    int rfd = open("fifo_demo", O_RDONLY);
    if(rfd < 0) printf("proc2 : fifo creat fail\n");
    else printf("proc2 : the fifo fd is : %d\n", rfd);

    char recv_buf[20];
    sleep(5);
    close(rfd);
    printf("proc2 : the fifo is closed\n");
    return 0;
}

写端proc1.c恢复到循环发送消息：

int main() {
    int res1 = mkfifo("fifo_demo",0777);
    int wfd = open("fifo_demo", O_WRONLY);
    
    if(wfd < 0) printf("proc1 : fifo creat fail\n");
    else printf("proc1 : the fifo fd is : %d\n", wfd);

    char send_buf[20];
    bzero(send_buf, 20);
    memcpy(send_buf, "hello, world!", 14);
    while(1) {
        printf("proc1 : proc1 is writting\n");
        write(wfd,send_buf, 20);
        printf("proc1 : proc1 has send the data\n");
        sleep(1);
    }
	
	close(wfd);
	printf("proc1 : fifo is closed\n");
    return 0;
}

终端输出如下，可见在proc2.c中关闭管道的读端口后，写入端口写入数据时会返回一个异常，最后终止进程。完美的印证了：写入数据时，若管道已经满了则进程被阻塞。若管道中没有读端口开启，则会返回一个异常，之后进程被终止。

lol@qingfenfuqin:~/work/linux_study/pipe/fifo$ ./proc1&
[1] 9365
lol@qingfenfuqin:~/work/linux_study/pipe/fifo$ ./proc2
proc2 : the fifo fd is : 3
proc1 : the fifo fd is : 3
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc1 : proc1 is writting
proc1 : proc1 has send the data
proc2 : the fifo is closed
proc1 : proc1 is writting
[1]+  Broken pipe             ./proc1
lol@qingfenfuqin:~/work/linux_study/pipe/fifo$

小结

这节课的知识点：
（1）命名管道的创建方法：mkfifo()；
（2）命名管道与文件的关系，如何操作命名管道：read()；write()；
（3）如何在后台运行一个进程：&。
（4）命名管道与匿名管道的差异，以及对文件系统的可见性。

面试高频考点：
（1）当管道以只读或只写创建/打开时，进程会被阻塞，直到另一段也以另一种方式创建管道
（2）读一个空的管道会出现两种情况：一、当写端口未关闭时，暨未调用close(fd[1])时，进程会被阻塞，等待管道内有信号。二、当写端口关闭时，read函数返回0。
（3）写入数据时，若管道已经满了则进程被阻塞。若管道中没有读端口开启，则会返回一个异常，之后进程被终止。

下一集我们将学习进程间第二中通信方式——共享内存的前置知识：linux多线(进)程编程——（5）虚拟内存与内存映射

结束语

“进程君开发出匿名管道与命名管道后，九天十地的道友终于可以畅通无阻的沟通交流了。”
听完这个修仙界传说，不知不觉间你的识海中也多了一道无暇神通，千里传音术——管道。
祝各位道友早日神功大成。

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