Linux下通过命名管道实现进程间通信

引入

上一篇文章介绍了 Linux 中通过pipe创建匿名管道，并实现父子进程间通信的功能；当时我就提到了 Linux 中的另一种管道通信方式——命名管道，下面就来详细介绍一下；

命名管道

什么是命名管道

命名管道（Named Pipe），也叫FIFO（First In First Out），是一种用于进程间通信（IPC）的机制。与匿名管道不同，命名管道是存在于文件系统中的特殊文件，具有持久性，可以用于不相关的进程间的数据传递；

命名管道的特点：

• 持久性：命名管道存在于文件系统中，一旦创建，即使创建管道的进程结束，管道仍然存在，直到手动删除。
• 半双工通信：在一个时刻数据只能单向传输，发送和接收通常需要在两个不同的进程中操作。
• 阻塞行为：当读取端没有准备好时，写入命名管道的操作会被阻塞，反之亦然，除非使用非阻塞方式。
• 文件系统挂载点：命名管道是通过文件系统的路径标识的，可以像普通文件一样打开、读写，但它不存储数据，只是用来传递数据。
• 跨进程通信：命名管道支持同一主机上的不同进程之间的通信，甚至可以在父子进程之外的进程中通信。 这篇文章会详细介绍命名管道作为文件进行跨进程通信的功能；

基本操作

创建

Linux 系统中，可以使用mkfifo命令创建命名管道：

mkfifo my_pipe
# 创建一个命名管道

使用（文件属性）

之前说过，命名管道具有文件属性，所以它适用于文件的相关操作，比如：

1. 写入进程：

echo "hello world" > my_pipe
# 向创建的命名管道中写入数据

2. 读取进程

cat < my_pipe
# 使用 cat 读取文件内容

在这种情况下，echo 命令会把数据写入管道，而 cat 命令会从管道中读取数据。由于管道是 FIFO 的，所以数据按写入顺序被读取。

代码演示

框架搭建

下面我们搭建一个简单的模型，用于演示在命名管道下进程间的通信：

1. 首先我们需要了解命名管道可以用于没有相关性的进程之间的通信，所以我们创建两个可执行文件，用于模拟两个不同进程；
2. 随后调用系统函数write，open，read等对信息写入、读取等工作；
3. 对于mkfifo函数，可以查到它的接口：

int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode);
// pathname，即路径名称，用于指定管道文件的创建位置
// mode，模式选项，这里指文件的权限信息

所以我们需要一个路径名称和权限选项（八进制）； 综合上述说明，我们就得到了一个简易的程序框架，下面就是代码实现；

代码实现

这个代码实现和上一篇文章的匿名管道类似，这里不再贴出代码，具体代码细节可以访问我的GitHub主页，位于pipe文件夹下；

匿名和命名管道之间的区别

最后我们再来总结一下这两者之间的区别，便于大家更好的理解管道的内容：

1. 命名方式

• 匿名管道：没有名字，存在于内存中，由创建它的进程通过文件描述符来引用。匿名管道只能用于相关的进程之间（例如，父子进程）。
• 命名管道：有名字，存在于文件系统中。不同的进程可以通过路径名来引用它，可以用于不相关的进程之间的通信。

2. 创建方式

• 匿名管道：在 C 语言中，使用 pipe() 系统调用创建匿名管道，它会返回两个文件描述符，一个用于读，一个用于写。例如：

int pipefd[2];
pipe(pipefd); // 创建匿名管道

• 命名管道：在 C 语言中，可以通过 mkfifo() 系统调用创建命名管道，它会在文件系统中创建一个特殊的 FIFO 文件。例如：

mkfifo("/tmp/mypipe", 0666); // 创建命名管道

3. 通信进程的关系

• 匿名管道：仅限于相关进程之间的通信，如父进程和子进程，因为它们继承了同样的文件描述符。匿名管道不适合不相关的进程之间进行通信。
• 命名管道：可以用于不相关进程之间的通信，因为它通过文件系统路径命名，任何有权限的进程都可以通过路径名打开这个管道进行通信。

4. 生命周期

• 匿名管道：管道的生命周期与进程相同，一旦创建管道的进程退出，管道也会销毁。
• 命名管道：命名管道的生命周期与文件系统中的文件类似，管道文件在手动删除之前会一直存在，即使创建它的进程已经退出。

5. 可见性

• 匿名管道：对用户和文件系统不可见，完全存在于内存中。
• 命名管道：在文件系统中可见，可以通过命令 ls 等查看，也可以通过路径进行操作。

6. 典型使用场景

• 匿名管道：用于父子进程或兄弟进程间的简单通信，通常是在进程创建时立即建立通信通道。常用于短期通信，通常不会持久存在。
• 命名管道：用于需要在不相关进程间进行通信的场景，尤其是当进程可能独立运行，彼此需要通过一个预定义的管道进行通信时。

7. 跨用户或网络通信

• 匿名管道：仅限于在同一台计算机上的进程通信，且必须是直接相关的进程（父子或兄弟进程）。
• 命名管道：尽管主要用于本地进程间通信，但可以通过网络文件系统（NFS）等实现跨网络的间接通信，但并不常用于此类场景。

区别总结表：