032 进程间通信 —— 有名管道篇

进程间通信 —— 有名管道篇

1. 什么是有名管道

1. 基本定义

有名管道是 Linux 中的一种进程间通信方式，其本质也是一个特殊类型的文件，存在于文件系统中，支持 无亲缘关系的进程 之间的数据通信。

2. 与匿名管道的对比

特性 匿名管道（pipe） 有名管道（FIFO）
是否有文件路径 ❌ 没有 ✅ 有（存在于文件系统中）
是否只能父子进程通信 ✅ 是 ❌ 可以无亲缘关系通信
创建方式 pipe() mkfifo() / mknod()
常见用途 父子进程、线程内通信 shell 脚本、后台服务通信

2. 有名管道的创建与使用

1. mkfifo 函数原型 —— 创建有名管道

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

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

参数详解

  1. const char *pathname： 表示希望创建的 有名管道的路径（通常是绝对路径或当前目录下的文件名）。它创建出来的是一个 文件系统中的特殊设备文件，使用 ls -l 可以看到文件类型为 p（pipe）：
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prw-r--r-- 1 user user 0 Jun 21 14:00 myfifo

  1. mode_t mode： 表示新创建的 FIFO 文件的权限，常用类似 shell 中的权限位（与 chmod 相同），如：

    • 0666：所有用户可读写（不加执行权限）。

    • 0644：仅拥有者可写，其它用户只读。

    • 0600：仅拥有者可读写。

注意：这个权限会受到 umask（用户掩码） 的影响！

返回值

  • 成功时：返回 0。
  • 失败时：返回 -1，并设置 errno 表示错误原因。

通信 Demo：

创建一个有名管道文件 myfifo，使用 while :; do echo "Hello Linux" ; sleep 1; done >> myfifo 循环写入内容，发现管道文件大小始终是 0。实验演示 | B 站。说明：FIFO 是一种特殊文件，用于进程通信，其内容不保存在磁盘上，而是临时存放在内存缓冲区中，并且只有当有读端存在时，写入操作才能成功。即使有数据写入，文件大小也始终显示为 0。

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#include <unistd.h>					   // 头文件
int unlink(const char *pathname);		// 删除一个名字与文件系统中 inode 的链接

参数： 要删除的文件（或管道、socket 文件等）的路径名，支持相对路径或绝对路径。

返回值：

  • 成功：返回 0
  • 失败：返回 -1，并设置全局变量 errno

重点理解

  • unlink() 不会管里面有没有读写端打开，只是把文件名从文件系统中移除。
  • 如果此时还有进程打开这个管道文件，管道内内核资源还在用，直到所有引用关闭后，内核才真正释放资源。（和普通文件 inode 行为一样）
  • unlink() 是 Linux 内核提供的低级系统调用，直接作用于文件系统的 inode 链接数。
  • rm 是用户空间程序，底层就是调用 unlink() 来完成删除。

在实际生产场景中：

  • 有名管道通常是 临时文件，由程序创建出来给进程通信用。
  • 程序结束时，最好自己负责清理掉。
  • 如果不主动 unlink()，就要依赖人去 rm，这就是“脏文件”了 —— 下次 mkfifo 会报 EEXIST。
操作 作用 场景
rm 命令行层面的文件删除 人工手动操作
unlink() 系统调用层面的文件删除 程序自动管理资源，退出时清理

本质是一样的，只是执行主体和使用时机不同。

思考：你知道 rm 删除文件背后的原理吗？如果文件还被打开，rm 会发生什么？

答案：

  • rm 会把文件名目录项删除，但是只要还有进程打开这个文件，inode 不会被释放。
  • 所以有名管道如果还有进程在读写，rm（或 unlink）后文件看不到了，但内核仍然维护着，直到最后一个 fd 关闭，内核才真正释放。

3. 基于有名管道通信的服务端-客户端模型 Demo

1. 头文件 comm.hpp

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#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
using namespace std;

#define FIFO_FILE "./myfifo"
#define MODE 0664

enum
{
    FIFO_CREATE_ERR = 1,                    // 这是创建管道文件失败的错误码
    FIFO_DELETE_ERR = 2,                    // 这是删除管道文件失败的错误码
    FIFO_OPEN_ERR                           // 这是打开管道文件失败的错误码（枚举会自动赋值为3）
};

class Init
{
public:
    Init()
    {
        int n = mkfifo(FIFO_FILE, MODE);    // 创建管道文件

        if (n == -1)
        {
            perror("mkfifo");
            exit(FIFO_CREATE_ERR);
        }
    }

    ~Init()
    {
        int m = unlink(FIFO_FILE);          // 删除管道文件
        
        if (m == -1)
        {
            perror("unlink");
            exit(FIFO_DELETE_ERR);
        }
    }
};

2. 客户端 Client.cc

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#include "comm.hpp"

int main()
{
    int fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY);             // 以只写方式打开管道文件
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        exit(FIFO_OPEN_ERR);
    }

    string str;                                     // 定义消息字符串
    while(true)
    {
        cout << "请输入要发送的消息：";
        getline(cin, str);                          // 读取用户输入的消息（一整行）

        write(fd, str.c_str(), str.size());         // 向管道文件写入消息，str.c_str()是 string 转换为 C 风格字符串 的方法
    }
    
    close(fd);                                      // 关闭管道文件
    return 0;
}

3. 服务端 Server.cc

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#include "comm.hpp"

int main()
{
    Init fifo;                                          // 初始化管道
    int fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY);                 // 以只读方式打开管道
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        exit(FIFO_OPEN_ERR);
    }

    while(true)
    {
        char buf[1024] = {0};
        int x = read(fd, buf, sizeof(buf));             // 读取管道数据，x 为读取的字节数
        if(x > 0)
        {
            buf[x] = 0;                                 // 将完整的字节流转换为字符串，并添加结束符‘\0’
            cout << "客户端说:" << buf << endl;
        }
    }

    close(fd);                                          // 关闭管道

    return 0;
}

运行展示：有名管道通信的服务端-客户端模型 Demo 运行示例 | B 站