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【Linux】进程间通信2——命名管道

news 2026/2/9 14:43:15

1. 命名管道(FIFO)

1.1. 基本概念

简单，给匿名管道起个名字就变成了命名管道

那么如何给匿名管道起名字呢？

结合文件系统，给匿名管道这个纯纯的内存文件分配 inode，将文件名与之构建联系，关键点在于不给它分配 Data block，因为它是一个纯纯的内存文件，是不需要将数据刷盘到磁盘中的

可以将命名管道理解为 “挂名” 后的匿名管道，把匿名管道加入文件系统中，但仅仅是挂个名而已，目的就是为了让其他进程也能看到这个文件（文件系统中的文件可以被所有进程看到）

因为没有 Data block，所以命名管道这个特殊文件大小为 0

匿名管道只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间的通信，如果要实现两个毫不相关进程之间的通信，可以使用命名管道来做到。

普通文件是很难做到通信的，即便做到通信也无法解决一些安全问题。

命名管道和匿名管道一样，都是内存文件，只不过命名管道在磁盘有一个简单的映像，但这个映像的大小永远为0，因为命名管道和匿名管道都不会将通信数据刷新到磁盘当中。

不同于匿名管道之处在于它提供一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存储于文件系统中。

命名管道是一个文件，因此，即使进程与创建FIFO的进程不存在亲缘关系，只要可以访问该路径，就能够通过FIFO相互通信。
值得注意的是，FIFO(first input first output)总是按照先进先出的原则工作，第一个被写⼊的数据将首先从管道中读出。

匿名管道是在进程中由pipe()系统调用创建的管道文件. 对用户来说其实是不可见的. 也不能被其他毫无干系的进程打开. 只能通过pipe创建、打开

而命名管道则不同, 命名管道对用户来说, 是可见的, 也就是说在进程内是可以指定路径打开的 , 这也是命名管道可以实现毫不相干的进程之间通信的原因

1.2.毫不相干的进程之间是怎么通信的

命名管道就是一种特殊类型的文件，两个进程通过命名管道的文件名打开同一个管道文件，此时这两个进程也就看到了同一份资源，进而就可以进行通信了。

虽然命名管道看起来很像文件，但是本质上这个文件也是一个内存文件，只不过在内存上只有一个简单的映像，永远都是 0 ，就只占了一个名字罢了。两个进程只需要通过这个名字在内存中打开文件就好了。

我们来验证一下

我要完成的目的是在用户端 client 输入数据(从屏幕中读取去)，而在客户端 server 接收客户端的数据，然后再从客户端打印出来。

但是这里需要注意的是，我们要想进行通信，那么就必须可以看到同一份资源，所以这里我就将共同的资源放到了头文件里，然后两个程序就可以看到同一份资源了：

comm.h1 #pragma once2 #include <stdio.h>3 #include <unistd.h>4 #include <string.h>5 #include <sys/types.h>6 #include <sys/stat.h>                                                   7 #include <fcntl.h>8 9 #define FILE_NAME "myfifo"

server.c1 #include"comm.h"2                                                                         3 int main()4 {5   if(mkfifo(FILE_NAME, 0644) < 0){6     perror("myfifo");7     return 1;8   }9 10   int fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY);11   if(fd < 0){12     perror("open");13     return 2;14   }15 16   char msg[128];17   while(1){18     msg[0] = 0;19     ssize_t s = read(fd, msg, sizeof(msg)- 1);20     if(s > 0){21       msg[s] = 0;22       printf("client# %s\n", msg);23     }24     else if(s == 0){25       printf("client quit!\n");26       break;27     }28     else{29       printf("read error!\n");30       break;                                                             31     }32   }33   close(fd);34 35   return 0;36 }

client.c1 #include"comm.h"2 3 int main()4 {5   int fd = open(FILE_NAME, O_WRONLY);6   if(fd < 0){7     perror("open");8     return 1;                                                           9   }                                                  10                                                  11   char msg[128];  12   while(1){                                   13     msg[0] = 0;                      14     printf("Please Enter# ");15     fflush(stdout);                     16     ssize_t s = read(0, msg, sizeof(msg));17     if(s > 0){18       msg[s] = 0;                                                  19       write(fd, msg, strlen(msg));                               20     }                                                     21   }                                   22                                                         23   close(fd);                                  24   return 0;25 }

我们可以看到这样的效果。

而且我们会发现，这两个进程是没有任何关系的，但是它们两个就可以进行通信。而且除了 server 创建一个管道文件，其它的操作和操作普通文件没有区别。

那么接下来就操作：情况是不是在命名管道开头的那幅图的情况：

首先先把 server 中读取的操作去掉：

然后进行下方操作：

我们可以看到，我已经写了好多消息了，但是我们发现 myfifo 的大小一直都是 0 ，换句话说就是我写的消息已经被写到管道的缓冲区里了，但是 server端并没有读取，所以写的消息还是在内存里，但是又因为 myfifo 的大小为 0 ，就说明数据并没有刷新到磁盘，也就意味着，双方通信依旧是在内存中通信的，和匿名管道的底层原理是一样的，它们采用的都是文件通信。

所以这下也就更能理解上面的那副图了吧。

1.3.命名管道的工作原理

1.4、命名管道与匿名管道的区别

不同点：

匿名管道只能用于具有血缘关系的进程间通信；而命名管道不讲究，谁都可以用
匿名管道直接通过 pipe 函数创建使用；而命名管道需要先通过 mkfifo 函数创建，然后再通过 open 打开使用
出现多条匿名管道时，可能会出现写端 fd 重复继承的情况；而命名管道不会出现这种情况

在其他方面，匿名管道与命名管道几乎一致

两个都属于管道家族，都是最古老的进程间通信方式，都自带同步与互斥机制，提供的都是流式数据传输

2.创建命名管道

2.1.mkfifo命令

我们可以使用mkfifo命令来创建命名管道

mkfifo 命名管道的名字

成功解锁了一种新的特殊类型文件：p 管道文件

这个管道文件也非常特殊：大小为 0，从侧面说明 管道文件就是一个纯纯的内存级文件，有自己的上限，出现在文件系统中，只是单纯挂个名而已

2.2.mkfifo函数

此外我们还可以通过相关的函数来创建，这个函数也叫mkfifo


#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char *path,mode_t mode);path为创建的命名管道的全路径名：
mod为指定了文件的读写权限； 成功都返回0，失败都返回－1

参数 : mkfifo函数的第一个参数是pathname，表示要创建的命名管道文件。

若pathname以路径的方式给出，则将命名管道文件创建在pathname路径下。
若pathname以文件名的方式给出，则将命名管道文件默认创建在当前路径下。（注意当前路径的含义）

mkfifo函数的第二个参数是mode，表示创建命名管道文件的默认权限。

返回值: 命名管道创建成功，返回0 ; 命名管道创建失败，返回-1。

3.命名管道的使用

命名管道和管道的使用方法法基本是相同的。

只是使用命名管道时，必须先调用open()将其打开。因为命名管道是一个存在于硬盘上的文件，而管道是存在于内存中的特殊文件。

需要注意的是，调用open()打开命名管道的进程可能会被阻塞。

但如果同时用读写方式（ O_RDWR）打开，则一定不会导致阻塞；
如果以只读方式（ O_RDONLY）打开，则调用open()函数的进程将会被阻塞直到有写方打开管道；
同样以写方式（ O_WRONLY）打开也会阻塞直到有读方式打开管道。

①如果当前打开操作是为读而打开FIFO时。

O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO。
O_NONBLOCK enable：立刻返回成功。

②如果当前打开操作是为写而打开FIFO时。

O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO。
O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO。

4.命名管道的四个使用示例

(1)通过命名管道，client & server进行通信

①comm.h中包含一些头文件供client 和 server使用

//comm.h
#pragma once#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>#define FILE_NAME "myfifo" //让客户端和服务端使用同一个命名管道

②server.c 代码

实现服务端(server)和客户端(client)之间的通信之前，我们需要先让服务端运行起来，我们需要让服务端运行后创建一个命名管道文件，然后再以读的方式打开该命名管道文件，之后服务端就可以从该命名管道当中读取客户端发来的通信信息了。

#include "comm.h"int main()
{if(mkfifo(FILE_NAME , 0644) < 0){ //创建管道文件perror("mkfifo");}int fd = open(FILE_NAME , O_RDONLY); //只读形式打开if(fd < 0){perror("open error!\n");return 2;}char buf[128];while(1){ssize_t s = read(fd ,buf, sizeof(buf)-1); //开始读数据if(s > 0){buf[s] = 0;printf("client# %s\n" , buf);}else if(s == 0){printf("client quit!\n");break;}else{printf("read error!\n");break;}}close(fd);return 0;
}

③client.c 代码

而对于客户端来说，因为服务端运行起来后命名管道文件就已经被创建了，所以客户端只需以写的方式打开该命名管道文件，之后客户端就可以将通信信息写入到命名管道文件当中，进而实现和服务端的通信。

#include "comm.h"int main()
{int fd = open(FILE_NAME , O_WRONLY); //以写的方式打开文件if(fd < 0){perror("open error!\n");return 1;}char buf[128];while(1){printf("Please Enter# ");  //提示语句fflush(stdout);ssize_t s = read(0 , buf , sizeof(buf));  //从键盘中读取数据if(s > 0){buf[s-1] = 0; //输入时多了一个\nwrite(fd , buf ,strlen(buf)); //把读取到的数据写到管道中}}return 0;
}

④运行结果

客户端写入的信息进入命名管道当中，服务端再从命名管道当中将信息读取出来打印在服务端的显示器上，该现象说明服务端是能够通过命名管道获取到客户端发来的信息的，换句话说，此时这两个进程之间是能够通信的。

通过ps命令查看这两个进程的信息，可以发现这两个进程确实是两个毫不相关的进程，因为它们的PID和PPID都不相同

⑤client 和 server 谁先退出问题

1) 客户端先退出，服务端将管道当中的数据读完后就再也读不到数据了，那么此时服务端也就会去执行它的其他代码了（在当前代码中是直接退出了）。

2)服务端先退出，客户端写入管道的数据就不会被读取了，也就没有意义了，那么当客户端下一次再向管道写入数据时，就会收到操作系统发来的13号信号(SIGPIPE)，此时客户端就被操作系统强制杀掉了。

⑥通信是在内存当中进行的

client端代码不变，server端只是以读的方式打开，但是不读取数据 :

运行程序前后两次查看myfifo管道文件的大小始终为0，说明了双方进程之间的通信依旧是在内存当中进行的，和匿名管道通信是一样的。

(2)通过命名管道，派发计算任务

①两个进程之间的通信，并不是简单的发送字符串而已，服务端是会对客户端发送过来的信息进行某些处理的 ; 这里我们的client端发送计算任务，server端将数据计算出来并打印到显示器上。

②client端的代码没有发生变化，只是server端读取数据时对数据进行了一些处理:

#include "comm.h"int main()
{if(mkfifo(FILE_NAME , 0644) < 0){ //创建管道文件perror("mkfifo");}int fd = open(FILE_NAME , O_RDONLY); //只读形式打开if(fd < 0){perror("open error!\n");return 2;}char buf[128];while(1){ssize_t s = read(fd ,buf, sizeof(buf)-1); //开始读数据if(s > 0){buf[s] = 0;//简单计算char *p = buf;const char *lable="+-*/%";int flag = 0; //记录计算的符号，利用下标 while(*p){switch(*p){case '+':flag = 0;break;case '-':flag = 1;break;case '*':flag = 2;break;case '/':flag = 3;break;case '%':flag = 4;break;}p++;}char *data1 = strtok(buf, "+-*/%"); //通过算数符号将左右两个数字分开char *data2 = strtok(NULL, "+-*/%");int x = atoi(data1); //将字符转整形计算int y = atoi(data2);int z = 0;switch(flag){case 0:z = x + y;break;case 1:z = x - y;break;case 2:z = x * y;break;case 3:z = x / y;break;case 4:z = x % y;break;}printf("%d %c %d = %d\n", x,lable[flag], y, z);}else if(s == 0){printf("client quit!\n");break;}else{printf("read error!\n");break;}}close(fd);return 0;
}

③结果

(3)通过命名管道，进行命令操作

①我们可以通过一个进程来控制另一个进程的行为，比如我们从客户端输入命令到管道当中，再让服务端将管道当中的命令读取出来并执行。简单实现了让服务端执行不带选项的命令，若是想让服务端执行带选项的命令，可以对管道当中获取的命令进行进一步的解析处理。

②client端的代码不变，server端对于输入的数据进行解析，如果有命令则执行:

#include "comm.h"int main()
{if(mkfifo(FILE_NAME , 0644) < 0){ //创建管道文件perror("mkfifo");}int fd = open(FILE_NAME , O_RDONLY); //只读形式打开if(fd < 0){perror("open error!\n");return 2;}char buf[128];while(1){ssize_t s = read(fd ,buf, sizeof(buf)-1); //开始读数据if(s > 0){buf[s] = 0;printf("client# %s\n" , buf);//执行命令if(fork() == 0){ //childexeclp(buf , buf ,NULL); //进程替换exit(1);}waitpid(-1 , NULL ,0); //进程等待}else if(s == 0){printf("client quit!\n");break;}else{printf("read error!\n");break;}}close(fd);return 0;
}

(4)通过命名管道，进行文件拷贝

①大致思路是，client端将log.txt 文件通过管道发送给server端，server端读取管道中的数据创建一个本地文件，将数据拷贝到本地文件中，以此来实现文件的拷贝。(本实验是在同一个机器上，且在同一个目录下，所以发送文件的文件名不能和接受文件的文件名重复)

②client端代码 : 以读的方式打开log.txt文件，以写的方式打开管道文件，将log.txt文件中的数据写到管道中.

#include "comm.h"int main()
{int fd = open(FILE_NAME, O_WRONLY); //以写的方式打开命名管道文件if (fd < 0){perror("open");return 1;}int fdin = open("log.txt", O_RDONLY); //以读的方式打开log.txt文件if (fdin < 0){perror("open");return 2;}char buf[128];while (1){//从log.txt文件当中读取数据ssize_t s = read(fdin, buf, sizeof(buf));if (s > 0){write(fd, buf, s); //将读取到的数据写入到命名管道当中}else if (s == 0){printf("read end of file!\n");break;}else{printf("read error!\n");break;}}close(fd); //通信完毕，关闭命名管道文件close(fdin); //数据读取完毕，关闭log.txt文件return 0;
}

③server端代码 : 以读的方式打开管道文件(没有管道文件创建) ，以写的方式在本地创建一个log-bat.txt文件，并将管道中的数据写到log-bat.txt文件中。

#include "comm.h"int main()
{if(mkfifo(FILE_NAME , 0644) < 0){ //创建管道文件perror("mkfifo");}int fd = open(FILE_NAME , O_RDONLY); //只读形式打开if(fd < 0){perror("open error!\n");return 2;}int fdout = open("log-bat.txt" , O_WRONLY|O_CREAT , 0644);if(fdout < 0){perror("open error!\n");return 3;}char buf[128];while(1){ssize_t s = read(fd ,buf, sizeof(buf)-1); //开始读数据if(s > 0){write(fdout , buf , s); //将数据从管道写入文件}else if(s == 0){printf("client quit!\n");break;}else{printf("read error!\n");break;}}close(fd); //通信关闭，关闭管道文件描述符close(fdout); //数据写入完毕return 0;
}

⑤进一步理解文件拷贝

使用管道在本地进行的文件拷贝，所以看似没什么意义，但我们若是将这里的管道想象成“网络”，将客户端想象成“Windows Xshell”，再将服务端想象成“centos服务器”, 那我们此时实现的就是文件上传的功能，若是将方向反过来，那么实现的就是文件下载的功能。

(5). 命名管道和匿名管道的区别

匿名管道由pipe函数创建并打开。
命名管道由mkfifo函数创建，由open函数打开。
FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在于它们创建与打开的方式不同，一旦这些工作完成之后，它们具有相同的语义。

5.命令行中的管道理解

(1)使用cat 和 grep 命令，利用管道 “ | ” 对信息进行过滤。

(2)管道“ | ” 是匿名管道还是命名管道？

①由于匿名管道只能用于有亲缘关系的进程之间的通信，而命名管道可以用于两个毫不相关的进程之间的通信，因此我们可以先看看命令行当中用管道（“|”）连接起来的各个进程之间是否具有亲缘关系。

②通过管道连接了三个进程，通过ps命令查看这三个进程可以发现，这三个进程的PPID是相同的，也就是说它们是由同一个父进程创建的子进程。

③三个sleep进程的父进程是bash ，三个sleep进程互为兄弟

④结论

若是两个进程之间采用的是命名管道，那么在磁盘上必须有一个对应的命名管道文件名，而实际上我们在使用命令的时候并不存在类似的命名管道文件名，因此命令行上的管道实际上是匿名管道。