Linux 中的管道：进程间数据传输的利器

server/2025/3/16 19:52:01/

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文章专栏-Linux

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

在这里插入图片描述

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：

  1. 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。
  2. 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

写入数据
读取数据
父进程
管道
子进程

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。

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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

  1. 具有血缘关系的进程可以进行匿名管道通信。
  2. 管道只能进行单向通信。
  3. **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。
  4. **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。
  5. 管道是基于文件，文件基于进程的生命周期。

匿名管道的SysCall

在这里插入图片描述

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<iostream>
#include<string>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>
#include<cstdio>
#include<cassert>
#include<cstdlib>
#include<cstring>#define NUM 2  // 定义管道数组的大小
#define SIZE 1024  // 定义缓冲区大小// Reader函数：读取管道中的数据并打印出来
void Reader(int fd)
{char buffer[SIZE];  // 缓冲区用于存储读取的数据while (true){buffer[0] = 0;  // 清空缓冲区的第一个字节// 从管道读取数据ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer));if (n > 0){buffer[n] = '\0';  // 添加字符串结束符std::cout << "father say:[" << "PID : " << getpid() << "]: " << buffer << std::endl;}// 可以通过 sleep(1) 暂停 1 秒，避免 CPU 过度使用（目前注释掉）//sleep(1);}
}// Writer函数：向管道中写数据
void Writer(int fd)
{char buffer[SIZE];  // 缓冲区用于存储要写入的数据std::string msg = "hello I am child";  // 子进程发送的消息int num = 1;  // 用于编号消息while (true){buffer[0] = 0;  // 清空缓冲区的第一个字节snprintf(buffer, sizeof(buffer), "child-PID: %d-%s-%d", getpid(), msg.c_str(), num);  // 格式化消息num++;  // 自增消息编号// 写入管道write(fd, buffer, strlen(buffer));sleep(1);  // 每次写入后暂停 1 秒}
}int main()
{int pipefd[NUM] = {0};  // 创建一个管道文件描述符数组// 创建管道int n = pipe(pipefd);if (n < 0) return -1;  // 如果创建管道失败，返回 -1// 创建子进程pid_t id = fork();if (id < 0) return -2;  // 如果创建子进程失败，返回 -2if (id == 0)  // 子进程部分{close(pipefd[0]);  // 关闭读端，因为子进程只需要写入数据// 调用 Writer 函数向管道中写数据Writer(pipefd[1]);exit(0);  // 子进程结束}// 父进程部分close(pipefd[1]);  // 关闭写端，因为父进程只需要读取数据// 调用 Reader 函数从管道中读取数据Reader(pipefd[0]);// 等待子进程结束pid_t ret = waitpid(id, NULL, 0);if (ret == 0){std::cout << "success return" << std::endl;  // 子进程正常退出}return 0;
}

代码流程：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 进程同步：
    • 使用 waitpid() 等待子进程的结束。

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。

在这里插入图片描述

管道的4种情况（用代码自己验证）

  1. 读端正常，写端关闭：读端会挂起阻塞。
  2. 读端正常，写端写满：写端会阻塞。
  3. 读端正常，写端关闭：读端就会读到0（表示读到了尽头）
  4. 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）；

在这里插入图片描述

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)
    1. 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。
    2. 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。

在这里插入图片描述

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）。

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销毁

bash
unlink name

在这里插入图片描述

C++代码下

int unlink(const char *pathname);
  • pathname：要删除的文件路径。

在这里插入图片描述

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 '\0' 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

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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_FILEif (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：
  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。

头文件包含以及宏定义hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>#define FIFO_FILE "./mypiped"
#define MODE 0664
#define SIZE 1024enum 
{FIFO_CREAT_ERR = 1 ,FIFO_OPEN_ERR      ,FIFO_READ_ERR      ,FIFO_WRITE_ERR
};

管道文件描述符。

头文件包含以及宏定义hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>#define FIFO_FILE "./mypiped"
#define MODE 0664
#define SIZE 1024enum 
{FIFO_CREAT_ERR = 1 ,FIFO_OPEN_ERR      ,FIFO_READ_ERR      ,FIFO_WRITE_ERR
};

http://www.ppmy.cn/server/175508.html

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