Linux 中的管道：进程间数据传输的利器
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前言
**进程间通信（Inter-Process Communication, IPC）**是指在操作系统中，不同进程之间交换数据或信息的方式。由于每个进程都有自己的地址空间，直接访问另一个进程的数据是不被允许的，因此需要使用IPC机制来实现进程间的通信
进程间通信
进程间通信的目的
进程间通信（IPC）的主要目的是让不同进程能够交换数据、协作工作和同步执行。由于每个进程有独立的内存空间，IPC提供了一种安全的方式让进程之间共享信息和资源。它的作用包括：
- 数据共享：让多个进程能够共享数据。
- 进程同步：协调进程的执行顺序，避免资源冲突。
- 控制与协作：让进程之间进行协作或控制执行。
- 高效并发：提高系统的处理能力和资源利用率。
- 模块化设计：简化系统设计，通过独立的进程模块进行工作。
进程间通信的分类
Linux 提供了多种进程间通信机制，以适应不同的应用场景：
- 管道、消息队列、共享内存：适用于同一系统内的进程间通信。
- 信号量、套接字：用于进程同步与资源访问控制。
- 信号和D-Bus：用于事件通知和消息传递。
- 内存映射文件：用于高效的大数据交换。
管道
管道（Pipe）是一种常见的进程间通信（IPC）机制，用于不同进程之间传递数据。它本质上是一个数据缓冲区，允许一个进程将数据写入其中，另一个进程从管道中读取数据。管道是一种单向通信的方式，但可以通过创建多个管道来实现双向通信。
管道的类型：
- 匿名管道（Anonymous Pipe）：
- 匿名管道是无名的、临时的，通常用于父子进程之间的通信。
- 由于匿名管道没有文件名，它们只能在创建它们的进程间使用。
- 通过
pipe()系统调用可以创建匿名管道，常用于同一系统内的进程间通信。
- 命名管道（Named Pipe，FIFO）：
- 命名管道是带有名字的管道，可以跨进程甚至跨系统使用。
- 命名管道在文件系统中有一个路径，进程可以通过路径访问该管道。
- 通过
mkfifo()系统调用创建命名管道，适用于没有父子关系的进程间通信。
管道原理
管道用于进程间的通信，特别是用于父子进程之间的简单数据传输。父进程创建管道，并通过管道的写端向管道写入数据；子进程从管道的读端读取数据。由于管道的特性，父子进程共享这对文件描述符，因此它们可以通过该管道进行通信。
- 父进程创建管道：父进程通过
pipe()创建管道，得到一对文件描述符。 - 创建子进程：父进程调用
fork()创建子进程，子进程会继承父进程的文件描述符。 - 父子进程通信：
- 父进程通过写端写入数据到管道。
- 子进程通过读端读取管道中的数据。
- 关闭管道：在数据传输完毕后，父子进程都应关闭管道的文件描述符，防止资源泄露。
匿名管道
匿名管道（Anonymous Pipe） 是一种用于父子进程间进行通信的机制，它允许数据在两个进程之间传输，而无需显式的文件名或路径。匿名管道的特点是它没有名字，并且通常只能用于具有亲缘关系的进程（即父进程与子进程）
匿名管道的特性
- 具有血缘关系的进程可以进行匿名管道通信。
- 管道只能进行单向通信。
- **父子进程会进行协同：**父进程和子进程之间的协同工作不仅可以在数据处理上进行配合，还可以在任务执行上互相协作。
- **管道是面向字节流的：**这意味着管道在传输数据时并不会关心数据的具体类型，而是以字节流的方式进行传输。
- 管道是基于文件，文件基于进程的生命周期。
匿名管道的SysCall
int pipe(int pipefd[2])
参数：
- pipefd[2]：一个整数数组，长度为 2。
pipefd[0]用于读取数据（读端），pipefd[1]用于写入数据（写端）。
返回值：
- 成功：返回
0。 - 失败：返回
-1，并设置errno以指示错误原因。
功能：
pipe()创建一个管道并将两个文件描述符放入 pipefd 数组中：
pipefd[0]是管道的读端，用于从管道中读取数据。pipefd[1]是管道的写端，用于向管道中写入数据。
这些文件描述符可以用于与其他进程或线程进行数据通信。
匿名管道示例
#include代码流程：
- 创建管道：
- 使用
pipe()创建一个管道，并通过pipefd[0]和pipefd[1]分别访问读端和写端。
- 使用
- 创建子进程：
- 使用
fork()创建子进程。 - 在子进程中，关闭管道的读端，调用
Writer()函数向管道写数据。 - 在父进程中，关闭管道的写端，调用
Reader()函数从管道读取数据。
- 使用
- 管道通信：
- 子进程通过写端 (
pipefd[1]) 向管道写数据。 - 父进程通过读端 (
pipefd[0]) 从管道读取数据并打印。
- 子进程通过写端 (
- 进程同步：
- 使用
waitpid()等待子进程的结束。
- 使用
主要功能：
- 父子进程的管道通信：父进程读取子进程写入管道的数据并输出。
- 无限循环的读写操作：子进程不断向管道写入数据，而父进程不断从管道读取数据。
管道的4种情况（用代码自己验证）
- 读端正常，写端关闭：读端会挂起阻塞。
- 读端正常，写端写满：写端会阻塞。
- 读端正常，写端关闭：读端就会读到0（表示读到了尽头）
- 写端正常，读端关闭：OS会通过操作系统杀掉写端。（13号信号：管道信号）；
命名管道
Linux 中的命名管道（Named Pipe，通常称为 FIFO）是一种特殊类型的文件，它用于在不同进程之间进行数据交换。它与匿名管道（Anonymous Pipe）相比，具有一些独特的特性。
命名管道的特性
- 跨进程通信：命名管道不仅限于父子进程之间的通信，它可以用于任何两个在系统中运行的进程之间，甚至是属于不同用户的进程。
- 阻塞行为：(这一点类似于匿名管道)
- 写操作阻塞：如果管道的缓冲区已满，写入数据的进程会被阻塞，直到有进程从管道中读取数据释放出空间。
- 读操作阻塞：如果管道为空，读取数据的进程会被阻塞，直到有进程写入数据。
命名管道的创建和销毁
创建
bash下
mkfifo name
p开头的是管道文件。
C++代码中
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
-
pathname：指定要创建的FIFO文件的路径。 -
mode：设置FIFO文件的权限，通常使用标准的文件权限值（例如0664）。
销毁
bash
unlink name
C++代码下
int unlink(const char *pathname);
pathname：要删除的文件路径。
命名管道的示例
- 提供
server端进行读取管道。 - 提供
client端进行写入管道。
server端
#include "piped.hpp"
int main()
{
// 创建命名管道（FIFO文件），进行进程间通信
int n = mkfifo(FIFO_FILE, MODE); // 使用 mkfifo 系统调用创建命名管道，FIFO_FILE 为管道文件路径，MODE 为权限模式
if (n < 0) {
perror("mkfifo"); // 如果创建管道失败，打印错误信息
exit(FIFO_CREAT_ERR); // 退出程序并返回自定义的错误码 FIFO_CREAT_ERR
}
// 打开命名管道，进行读取操作
int fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY); // 使用 open 系统调用打开管道文件进行只读操作
if (fd < 0) {
return FIFO_OPEN_ERR; // 如果打开管道失败，返回自定义的错误码 FIFO_OPEN_ERR
}
// 不断读取管道中的数据
while (true)
{
char buffer[SIZE] = {0}; // 创建一个字符数组 buffer 来存放从管道读取的数据
int n = read(fd, buffer, sizeof(buffer)); // 使用 read 系统调用从管道读取数据，读取的最大字节数为 buffer 的大小
if (n == -1) {
perror("read"); // 如果读取数据失败，打印错误信息
exit(FIFO_READ_ERR); // 退出程序并返回自定义的错误码 FIFO_READ_ERR
}
else if (n > 0) {
buffer[n] = 0; // 确保读取的数据是以 null 字符 ' ' 结束的，以方便处理为字符串
std::cout << "PID :" << getpid() << " client said # " << buffer << std::endl; // 打印读取的数据以及进程的 PID
}
else {
break; // 如果没有数据可读，退出循环
}
}
close(fd); // 关闭管道文件描述符
return 0; // 程序正常结束
}
代码解释
-
创建命名管道：
使用mkfifo()创建一个命名管道，该管道的路径为FIFO_FILE，其权限由MODE定义。如果创建失败，则通过perror()输出错误信息并退出。 -
打开命名管道：
使用open()打开刚刚创建的命名管道文件，使用只读模式 (O_RDONLY)。如果管道打开失败，则退出并返回错误码。 -
读取数据：
程序通过read()从管道中读取数据，每次读取的数据存放到buffer中，并且确保数据以 null 字符结束。读取到的数据会被打印出来，显示发送数据的客户端信息。 -
处理管道读取：
如果读取操作成功且有数据，程序会打印客户端的消息。如果读取操作返回0（表示管道关闭），则退出循环。 -
关闭文件描述符：
当管道的数据读取完毕后，程序会通过close()关闭管道文件描述符。
cilent端
#include "piped.hpp"
int main()
{
// 打开命名管道文件（FIFO），以写模式打开
int fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY); // 使用 open 系统调用以写模式打开管道文件 FIFO_FILE
if (fd == -1) {
perror("open"); // 如果打开失败，打印错误信息
exit(FIFO_OPEN_ERR); // 退出程序并返回自定义的错误码 FIFO_OPEN_ERR
}
std::cout << "client open file done" << std::endl; // 输出确认消息，表示管道文件已成功打开
// 不断读取用户输入并将其写入管道
while (true)
{
std::string str; // 定义一个字符串来存储用户输入
std::cout << "Please Enter@"; // 提示用户输入
getline(std::cin, str); // 从标准输入读取一行数据并存储到 str 中
std::cout << str << std::endl; // 打印用户输入的内容
// 将输入的字符串写入管道
int n = write(fd, str.c_str(), str.size()); // 使用 write 系统调用将输入字符串写入管道
if (n == -1) {
perror("write"); // 如果写入失败，打印错误信息
exit(FIFO_WRITE_ERR); // 退出程序并返回自定义的错误码 FIFO_WRITE_ERR
}
}
close(fd); // 关闭管道文件描述符
return 0; // 程序正常结束
}
代码解释：
- 打开管道文件：
- 使用
open()函数以写模式（O_WRONLY）打开命名管道文件FIFO_FILE。如果管道文件打开失败，程序会打印错误信息并退出。
- 使用
- 用户输入并写入管道：
- 程序通过
std::getline(std::cin, str)获取用户的输入，并将其存储在str变量中。 - 输入的字符串会被通过
write()系统调用写入管道，写入的数据是通过str.c_str()获取的字符串指针，str.size()获取的字符串大小。
- 程序通过
- 错误处理：
- 如果
write()函数返回错误（即返回-1），程序会打印出错误信息，并退出，返回错误码FIFO_WRITE_ERR。
- 如果
- 关闭管道文件：
- 在写入完成后，程序会通过
close()关闭管道文件描述符。
- 在写入完成后，程序会通过
头文件包含以及宏定义hpp
#pragma once
#include 管道文件描述符。
头文件包含以及宏定义hpp
#pragma once
#include 
