Linux应用进程间通信二（命名管道）

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分类专栏： Linux应用编程文章标签： linux 服务器运维

于 2020-12-24 22:04:54 首次发布

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Linux应用进程间通信二（命名管道）

一、概述

命名管道（Named Pipe） 是一种特殊的文件类型，在操作系统中用于进程间通信（IPC）。它类似于普通的管道（Anonymous Pipe），但具有不同之处。命名管道有一个特定的名字，并且存在于文件系统中，可以被不同的进程通过该名称访问。

1.1、命名管道的特点

进程间通信：命名管道是用于不同进程之间交换数据的机制，允许一个进程向管道中写入数据，另一个进程从管道中读取数据。
文件系统中的存在：与匿名管道不同，命名管道在文件系统中有一个固定的路径。命名管道是通过文件系统中的文件名来标识的，这个文件名通常位于特殊的目录下，如 /tmp 或 /dev（取决于操作系统）。
全双工通信：命名管道支持全双工通信，也就是可以进行双向数据交换，即一个进程可以同时从管道中读取数据，同时向管道中写入数据。通常，命名管道的读写操作是由不同的进程来完成的。
有名字的管道文件：命名管道是文件系统中的一类特殊文件。它的名字用于标识和访问该管道，因此多个进程可以通过相同的文件路径来进行通信。
持久性：命名管道的生命期不依赖于创建它的进程。它在文件系统中存在，直到显式地被删除。

1.2、命名管道与匿名管道的区别

特性	命名管道 (Named Pipe)	匿名管道 (Anonymous Pipe)
存在方式	存在于文件系统中，有名字，可以跨进程使用	不存在文件系统中，仅在父子进程间使用
进程通信范围	支持不相关进程间通信（即使它们不是父子进程）	只能在父子进程或相关进程间通信
生命周期	在文件系统中存在，直到被删除	生命周期与进程相关，进程结束时消失
通信方式	支持全双工（双向通信）	通常是半双工（一个方向写入，另一个方向读取）

1.3、命名管道的使用方法

命名管道的使用流程通常包括两个步骤：

创建命名管道：使用 mkfifo() 或 mknod() 系统调用在文件系统中创建一个命名管道。
打开和读写管道：进程可以通过标准的文件 I/O 操作（open()，read()，write()）来与命名管道进行交互。

二、创建命名管道

命名管道的主要用途：不相关的进程之间交换数据。

命令行上创建命名管道：

$ mkfifo filename

程序中创建命名管道：

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

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

备注：#include <sys/types.h>是Unix/Linux系统的基本系统数据类型的头文件，含有Size_t，time_t，pid_t等类型。

　　　#include<sys/stat.h>是Unix/Linux系统定义文件状态所在的伪标准头文件。

例程：创建一个FIFO命名管道

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

int main(int argc, char *argv[])
{
    int res;

    res = mkfifo("./FIFO", 0777);
    if(res == 0)
    {
        printf("FIFO created\n");
    }

    exit(EXIT_SUCCESS);

}

备注：文件权限方面的知识有点模糊，需要回顾。

$ ls -lF(F选项会在显示目录条目时，在目录后加一个符号“/”表示文件夹 “|”表示管道)
prwxr-xr-x 1 root root     0 12月 17 17:02 FIFO|

创建出来的FIFO管道如上图所示，其中第一个字符p表示这是一个管道，其中最后一个|符号是由ls命令的-F选项所添加，也表示它是一个管道。

FIFO是以命名文件的形式存在，而不是打开的文件描述符，所以在对它进行读写操作之前必须先打开它。而且，对于FIFO来说，传递给open函数的第一个参数一定是一个FIFO的路径名，而不是一个文件名。

三、使用open打开FIFO文件

1.FIFO命名管道不能以O_RDWR的模式打开，会产生二义性。（通常使用FIFO只是为了单向传递数据）

2.如果确定需要程序之间双向传递数据。①最好使用一对FIFO或者管道，一个方向使用一个②采用先关闭再重新打开FIFO的方法来明确地改变数据流的去向（不常用）。

3.打开FIFO文件和打开普通文件的另一点区别是：对open_flag（open的第二个参数）的O_NONBLOCK的用法。

open(const char *path, O_RDONLY)；

在这种情况下，open调用将阻塞，除非有一个进程以写方式打开一个FIFO，否则它是不会返回。

open(const char *path, O_RDONLY | O_NONBLOCK);

即使没有其他进程以写方式打开FIFO，open调用也会成功并且立即返回。

open(const char *path, WRONLY);

在这种情况下，open调用将阻塞，直到有一个进程以读方式打开进程。

open(const char *path, WRONLY | O_NONBLOCK);

这个函数调用总是立刻返回，但如果没有进程以读方式打开FIFO文件，open调用将返回一个错误-1并且FIFO也不会被打开。如果确实有一个进程以读方式打开FIFO文件，那么我们就我再可以通过它返回的文件描述符对这个FIFO文件进行写操作。

　　注意：由以上可知，必须先有进程以读方式打开FIFO文件，然后再有进程以写方式打开FIFO文件。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h> /* using string */
#include <fcntl.h> /* O_RDONLY in this file */

#define FILE_NAME "/home/test/readfifo"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int res;
    
　　/* 确保文件存在 */
    if(access(FILE_NAME, F_OK) == -1)
    {
        res = mkfifo(FILE_NAME, 0777);

        if(res != 0)
        {
            printf("the fifo file could not create\n");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    printf("read fifo file create successfull \n");

    open(FILE_NAME, O_RDONLY | O_NONBLOCK);

    printf("open the read fifo file is success \n");

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

备注：string.h在使用到字符数组时需要使用。

fcntl.h是unix标准中通用的头文件，其中包含相关函数有open，fcntl，shutdown，unlink，fclose等。与unistd.h相比，后者定义了更多的函数原型。

在open的函数调用中，如果是非阻塞。

read fifo file create successfull 

open the read fifo file is success

在open的函数调用中，如果是阻塞，即没有使用O_NONBLOCK

read fifo file create successfull

就会阻塞在open函数上，然后等待写进程打开这个函数，然后才会返回。

注意：Linux中进程被阻塞时，并不消耗CPU资源。

四、对FIFO进行读写操作

如果在open函数使用了O_NONBLOCK模式，会影响到对FIFO的read和write调用。

对一个空的、阻塞的FIFO（即没有用O_NONBLOCK标志打开的）的read调用将等待，直到有数据可以读时才继续执行。
对一个空的、非阻塞的FIFO的read调用将立刻返回0字节。
对一个完全阻塞FIFO的write调用将等待，直到数据可以被写入才继续执行，如果FIFO不能接受所有写入数据，将按照下面的规则执行：①如果请求写入的数据长度小于等于PIPE_BUF字节，调用失败，数据不能写入。（表示有空间，但是不能写入，出现问题）。②如果请求写入的数据的长度大于PIPE_BUF字节，将写入部分数据，返回实际写入的字节数，返回值也可能是0（表示只是FIFO的空间不足，先写入部分数据）。

注意：PIPE_BUF是系统对FIFO的一个数据长度的限制，通常在头文件limits.h可以找到它，通常值为4096字节，也有特例。系统规定：在一个以O_WRONLY方式（即阻塞方式）打开的FIFO中，如果写入的数据长度小于等于PIPE_BUF，要么全部一次性写入，要么一个字节也不写入。

基于“注意”中的描述，如果出现一种情况：多个程序向一个FIFO中写入数据的时候，为了保证这些写入的数据不会相互交错重叠，那么就要求每次写入的数据长度要小于等于PIPE_BUF字节。

五、举例应用

5.1、示例代码：C语言中的命名管道

下面是一个简单的示例，展示如何在 C 语言中创建和使用命名管道：

1、写入端程序（Writer）

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

int main() {
    int fd;
    char *fifo = "/tmp/myfifo";
    char *message = "Hello from writer!";

    // 打开命名管道（写入）
    fd = open(fifo, O_WRONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("Open FIFO for writing failed");
        exit(1);
    }

    // 写入数据到命名管道
    write(fd, message, strlen(message) + 1);

    // 关闭管道
    close(fd);

    return 0;
}

2、读取端程序（Reader）

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

int main() {
    int fd;
    char *fifo = "/tmp/myfifo";
    char buffer[100];

    // 打开命名管道（读取）
    fd = open(fifo, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("Open FIFO for reading failed");
        exit(1);
    }

    // 从管道读取数据
    read(fd, buffer, sizeof(buffer));

    // 输出读取到的数据
    printf("Received: %s\n", buffer);

    // 关闭管道
    close(fd);

    return 0;
}