【Linux篇】轻松搭建命名管道通信：客户端与服务器的互动无缝连接

命名管道是一种用于进程间通信（IPC）的机制，它通过特定的文件路径进行数据传输。客户端和服务器可以通过打开命名管道进行双向数据交换。服务器通常会创建一个命名管道并等待客户端连接，而客户端则需要访问这个管道进行通信。通信的过程基于FIFO（先进先出）原则，即先写入的数据会先被读取。通过这种方式，客户端和服务器能够实现异步通信，且数据传输简单高效。命名管道的优势在于它不需要显式的网络连接，使得在同一台机器上的进程间通信变得更加便捷。

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一. 命名管道

1.1 基本概念

命名管道（Named Pipe）是一种用于进程间通信（IPC）的机制，它允许不同进程之间通过一个命名的通道交换数据。与匿名管道不同，命名管道是通过一个系统级的文件路径来标识和访问，允许不同的进程在不同的时间、甚至不同的机器上进行通信。

允许不具有血缘关系的进程之间进行通信，数据使用FIFO原则进行数据传输。

1.2 创建命名管道

1.2.1 创建方法

• 方法一：在命令行创建语法：

mkfifo filename

该指令将会创建命名管道filename（管道名称）。

• 方法二: 使用相关的函数创建，语法如下：

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

参数说明：

• pathname：这是要创建的命名管道的路径。这个路径需要是一个有效的文件路径，且在文件系统中应该是一个文件名。
• mode：指定管道的权限，类似于文件的权限。它通常是一个由数字组成的权限值，类似于文件的权限位，例如 S_IRUSR | S_IWUSR表示用户可读可写。权限的设置遵循Linux的文件权限规则。

返回值：

• 如果命名管道创建成功，返回 0。
• 如果失败，返回 -1 并设置 errno 以指示错误原因。

1.2.2 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main() {const char *fifo_path = "/tmp/my_fifo";//命名管道路径// 创建命名管道if (mkfifo(fifo_path, 0666) == -1) {perror("mkfifo failed");return 1;}printf("FIFO created successfully\n");//成功是打印该内容return 0;
}

在这个示例中，mkfifo 创建了一个名为 /tmp/my_fifo 的命名管道，权限设置为 0666，即文件的所有者、用户组和其他用户均可读写。

1.2.3 注意事项：

1. 创建的管道必须由至少一个进程进行读写操作，否则可能会导致另一个进程调用 open() 时被阻塞，直到有进程打开该管道。
2. 命名管道是一种特殊的文件，进程可以像普通文件一样对其进行读写，但它实际上是在进程之间传递数据的通道。

1.3 与匿名管道区别

特性	命名管道（Named Pipe）	匿名管道（Anonymous Pipe）
标识方式	有文件路径，可以通过路径访问	没有文件路径，仅通过管道描述符访问
作用范围	支持不同进程间通信，甚至跨系统通信
创建方式	使用mkfifo()创建	使用pipe()创建
生命周期	用户控制，管道文件存在于文件系统中	进程结束后自动销毁
阻塞行为	支持阻塞，写操作阻塞直到有读进程	支持阻塞，写操作阻塞直到有读进程
使用场景	不同进程间通信	父子进程之间通信

命名管道具有更强的灵活性，适用于跨进程、跨系统的复杂场景；而匿名管道则更简单，适用于父子进程间的简单数据传输。

• 如何理解用户控制：

"用户控制”则表示，管道的生命周期由用户管理，用户可以决定管道的创建、删除时机，并且管道不会自动销毁，直到用户删除它。

1.4 打开原则

1.4.1 管道打开顺序

• 写进程：可以在没有读进程存在的情况下打开管道，数据被放入管道缓冲区，直至有读进程打开并读取读取数据。如果写进程在管道缓冲区已满时继续写入，写端会发生阻塞，直到有数据可以读取。如果没有任何进程写入数据，读进程将永久阻塞。
• 读进程：写进程必须存在，没有时读端将发生阻塞，直至有数据可以读取。如果没有任何进程写入数据，读进程将会发生永久性阻塞。

1.4.2 阻塞行为

• 阻塞读取：如果读进程尝试从命名管道读取数据，但管道中没有数据，它会被阻塞，直到有写进程向管道写入数据。
• 阻塞写入：如果写进程向管道写入数据，而没有任何读进程准备好读取数据（或者管道缓冲区已满），写进程将被阻塞，直到有读进程读取数据或者管道中有空闲空间。

1.4.3 管道的关闭

• 进程关闭管道：进程在使用完管道后应该调用 close()来关闭管道。如果管道被完全关闭（即读写端都关闭），则其他试图读取或写入的进程会遇到 EOF 或 EPIPE 错误。
• 当管道中的数据被全部读取后，读进程会收到一个“文件结束标志（EOF）”。如果继续尝试读取，将会返回 0，表示没有更多数据可读取。

1.4.4 关闭读写端的规则

• 写端关闭时：如果写端关闭而读端仍在读取数据，读端会得到一个 EOF（文件结束符）信号，表明没有更多数据。
• 读端关闭时：如果读端关闭而写端继续写入数据，写进程会得到一个 EPIPE 错误，表明管道的另一端已经关闭。

1.5 特点

特点与匿名管道相似，唯一不同的是它可以让毫不相干的进程之间进行通信。

二. 客户端与服务器的实现

2.1 简介

用命名管道（Named Pipe）实现客户端与服务端通信是一种常见的进程间通信（IPC）方式。在这种模式下，服务端和客户端通过一个共享的命名管道进行数据交换。命名管道提供了一个通信通道，使得它们可以在不同的进程间进行双向数据传输。由于命名管道是一种通过文件系统实现的通信机制，因此客户端和服务端可以通过文件路径访问该管道。

2.2 基本工作原理

命名管道的工作原理基于先进先出规则，即数据写入管道的顺序会按照写入的顺序被读取。它在进程间提供一个缓冲区，允许数据从一个进程流向另一个进程。

在客户端和服务端通信中，服务端通常是管道的创建者，而客户端则是通过管道进行读取和写入操作。

2.3 实现通信

2.3.1 创建并设置命名管道

为什么要使用命名管道（FIFO）？

1. 命名管道是通过文件系统提供的通信机制，不同的进程可以通过这个管道进行数据交换。
2. 创建管道时，可以通过文件路径访问和管理管道，因此可以跨进程通信。

创建命名管道：

• 我们在 服务端 中创建命名管道。

int n = mkfifo(FIFO_FILE, 0666);  // 创建管道，文件名为 FIFO_FILE
if (n != 0) {std::cerr << "mkdir fifo error" << std::endl;return 1;
}

2.3.2 服务端实现（读取命名管道中的消息）

• 服务端的主要功能：

服务端的工作是打开命名管道文件，读取客户端发送过来的消息并显示。

int fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY);  // 以只读方式打开命名管道
if (fd < 0) {std::cerr << "open fifo error" << std::endl;return 2;
}

• 解释：

open() 用于打开已经创建的命名管道文件。这里我们以 O_RDONLY（只读）方式打开它，意味着服务端只是从管道中读取数据。

如果管道无法打开，输出错误信息并返回 2。

• 读取信息

char buffer[1024];
while (true) {int n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);  // 从管道读取数据if (n > 0) {buffer[n] = 0;  // 确保字符串结束std::cout << "client say# " << buffer << std::endl;  // 打印客户端消息}
}

• 解释：

read() 函数从命名管道中读取数据，直到管道中没有数据可读。buffer 存储读取到的数据。

如果读取成功，将数据输出到控制台。

通过 n 判断读取的字节数，如果大于 0，说明读取成功。

• 关闭管道

close(fd);  // 关闭管道

• 解释：

完成数据读取后，关闭管道文件描述符。

2.3.3 客户端实现（向命名管道写入消息）

• 客户端的主要功能：

客户端需要向命名管道写入消息。在每次输入后，客户端会将用户输入的消息写入管道，供服务端读取。

int fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY);  // 以只写方式打开命名管道
if (fd < 0) {std::cerr << "open fifo error" << std::endl;return 2;
}

• 解释：

open() 用于打开管道文件，O_WRONLY 表示只写打开管道。客户端仅通过该管道写入数据。

如果打开失败，输出错误并返回 2。

发送信息：

while (true) {std::cout << "Please Enter# ";std::string message;std::cin >> message;  // 从用户输入读取消息int n = write(fd, message.c_str(), message.size());  // 将消息写入管道if (n > 0) {// 写入成功}
}

• 解释：

std::cin >> message 用于从用户输入获取消息。

write() 用于将消息写入管道。如果消息成功写入，n 返回写入的字节数。

关闭管道：

close(fd);  // 关闭管道

• 解释：

客户端发送完消息后，关闭管道。

2.3.4 定义常量和文件路径

#pragma once
#define FIFO_FILE "fifo"  // 定义命名管道的文件路径

• 解释：

在 common.hpp 文件中定义一个宏 FIFO_FILE，用于存储命名管道的路径。在客户端和服务端中都使用这个路径，确保一致性。

2.3.5 总结：

1. 服务端：创建并打开命名管道，通过 read() 从管道读取客户端发送的消息，并输出到控制台。
2. 客户端：打开命名管道，通过 write() 将用户输入的消息发送到管道。
3. 进程之间通过 命名管道（FIFO）共享数据，命名管道提供了一个简单的方式来进行进程间通信。
4. 客户端和服务端各自控制着管道的一端，数据的传递是同步的，即写入和读取是交替进行的。

三. 最后

本文介绍了基于命名管道（FIFO）实现客户端与服务器实时通信的过程。命名管道是一种通过文件路径进行进程间通信的机制，支持不同进程之间的数据传输，基于FIFO（先进先出）原则。通过 mkfifo() 函数可以创建命名管道，客户端和服务端通过管道文件进行数据交换。服务端创建并打开管道以读取数据，客户端通过管道向服务端写入消息。命名管道的优势在于不需要网络连接，适用于同一台机器上的进程通信。通过合适的同步与阻塞机制，客户端与服务端能够顺利实现数据传输。

完整代码（如下）：

server.cc

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include "common.hpp"int main()
{umask(0);int n = mkfifo(FIFO_FILE, 0666);if(n != 0){std::cerr << "mkdir fifo error" << std::endl;return 1;}int fd = open(FIFO_FILE,O_RDONLY);if(fd < 0){std::cerr << "open fifo error" << std::endl;return 2;}char buffer[1024];while(true){int n = read(fd,buffer,sizeof(buffer) -1);if(n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << "client say# " << buffer << std::endl;}}close(fd);return 0;
}

client.cc

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include "common.hpp"int main()
{int fd = open(FIFO_FILE,O_WRONLY);if(fd < 0){std::cerr << "open fifo error" << std::endl;return 2;}while(true){std::cout << "Please Enter# ";std::string message;std::cin >> message;int n = write(fd, message.c_str(),message.size());if(n > 0){}}close(fd);return 0;
}

comm.hpp

#pragma once#define FIFO_FILE "fifo"

makefile

.PHONY:all
all:client server
client:client.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
server:server.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -f client server

上述代码可以实现两者进行通信。

演示图片（如下图）：