Linux进程通信 | 管道与FIFO
Linux进程间通信通常使用的方式有很多种，其中比较常用的包括管道（pipe）和 FIFO（命名管道）。本文将介绍这两种通信方式的基本概念，并用C语言编写示例代码，来说明如何在两个进程之间使用这些IPC机制进行通信。
管道（pipe）
管道是一种半双工的通信方式，用于父进程和子进程之间的通信。在 Linux 中，管道是一种特殊的文件，有两个端点，一个读端和一个写端。管道的基本操作包括创建管道、关闭文件描述符、读取数据和写入数据等。
创建管道
在 Linux 中，我们可以使用 pipe() 系统调用来创建管道。pipe() 函数的原型如下：
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
其中，pipefd 是一个数组，用于存储管道的读端和写端的文件描述符。pipe() 函数成功时返回 0，失败时返回 -1。
下面是一个创建管道的示例代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int pipefd[2];
// 创建管道
if (pipe(pipefd) == -1) {
perror("pipe");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("读端文件描述符：%d\n", pipefd[0]);
printf("写端文件描述符：%d\n", pipefd[1]);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
- 编译并运行，打印如下
读端文件描述符：3
写端文件描述符：4
管道的读写
在使用管道进行通信时，父进程和子进程可以通过管道进行数据的读取和写入。在 C 语言中，我们可以使用 read()函数和 write() 函数来读取和写入数据。read() 函数用于从管道中读取数据，write() 函数用于向管道中写入数据，使用 close() 函数关闭文件描述符。在管道的使用中，我们应该在不需要的时候关闭管道的读端和写端，以避免资源浪费。
这三个函数的原型分别如下：
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
int close(int fd);
下面是一个父进程向子进程写入数据并读取返回结果的示例代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#define BUF_SIZE 1024
int main()
{
int pipefd[2];
pid_t pid;
char buf[BUF_SIZE];
int status;
// 创建管道
if (pipe(pipefd) == -1) {
perror("pipe");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 创建子进程
pid = fork();
if (pid == -1) {
perror("fork");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (pid == 0) { // 子进程
// 从管道中读取数据
if (read(pipefd[0], buf, BUF_SIZE) == -1) {
perror("read");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("子进程收到消息：%s\n", buf);
// 发送消息给父进程
const char* message = "Hello, parent!";
if (write(pipefd[1], message, strlen(message) + 1) == -1) {
perror("write");
exit(EXIT_FAILURE);
}
close(pipefd[1]); // 关闭写端
exit(EXIT_SUCCESS);
} else { // 父进程
// 发送消息给子进程
const char* message = "Hello, child!";
if (write(pipefd[1], message, strlen(message) + 1) == -1) {
perror("write");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 等待子进程退出
wait(&status);
if (WIFEXITED(status)) {
printf("子进程退出，返回值：%d\n", WEXITSTATUS(status));
}
// 从管道中读取数据
if (read(pipefd[0], buf, BUF_SIZE) == -1) {
perror("read");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("父进程收到消息：%s\n", buf);
close(pipefd[0]); // 关闭读端
exit(EXIT_SUCCESS);
}
}
在这个示例代码中，父进程先向子进程发送一条消息，子进程收到消息后向父进程发送一条消息，并退出。父进程在等待子进程退出后再从管道中读取子进程发送的消息。
- 编译并运行，打印如下
子进程收到消息：Hello, child!
子进程退出，返回值：0
父进程收到消息：Hello, parent!
FIFO（命名管道）
FIFO（命名管道）是一种文件系统对象，与管道类似，也可以用于进程间通信。FIFO 是一种特殊类型的文件，它可以在文件系统中被创建，并且进程可以通过文件描述符来读取和写入数据。
与管道不同的是，FIFO 可以被多个进程打开，并且可以在文件系统中以路径的形式存在，因此不像管道那样只能在具有亲缘关系的进程之间使用。任何进程只要有相应的权限就可以打开 FIFO 并进行通信。
FIFO 的创建和使用
FIFO 的创建和使用也比较简单。首先需要使用 mkfifo() 函数创建 FIFO 文件，其原型如下
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
其中，pathname 是 FIFO 文件的路径名，mode 是文件的权限。
创建 FIFO 文件后，就可以像使用普通文件一样打开它，并使用 read() 和 write() 函数进行数据的读写。
下面是一个使用 FIFO 进行进程间通信的示例代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define FIFO_PATH "/tmp/myfifo"
#define BUF_SIZE 1024
int main()
{
int fd;
char buf[BUF_SIZE];
// 创建 FIFO 文件
if (mkfifo(FIFO_PATH, 0666) == -1) {
perror("mkfifo");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 打开 FIFO 文件
fd = open(FIFO_PATH, O_RDWR);
if (fd == -1) {
perror("open");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 向 FIFO 中写入数据
const char* message = "Hello, world!";
if (write(fd, message, strlen(message) + 1) == -1) {
perror("write");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 从 FIFO 中读取数据
if (read(fd, buf, BUF_SIZE) == -1) {
perror("read");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("收到消息：%s\n", buf);
// 关闭文件描述符并删除 FIFO 文件
close(fd);
if (unlink(FIFO_PATH) == -1) {
perror("unlink");
exit(EXIT_FAILURE);
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
在这个示例代码中，程序先创建了一个 FIFO 文件 /tmp/myfifo，然后打开该文件并向其中写入一条消息。接下来从 FIFO 文件中读取数据，并将其打印出来。最后关闭文件描述符并删除 FIFO 文件。
- 编译并运行，打印如下
收到消息：Hello, world!
小结
Linux 中管道和 FIFO 是进程间通信的重要方式。管道只能用于亲缘关系的进程间通信，而 FIFO 可以被多个进程打开，不受进程之间关系的限制。无论是管道还是 FIFO，它们的使用方式都与普通文件类似，需要使用文件描述符和 read()、write() 函数来进行数据的读写。
在使用管道和 FIFO 进行进程间通信时，需要注意以下几点：
- 管道和 FIFO 只能用于同一主机上的进程间通信，不能用于跨主机通信。
- 管道和 FIFO 的读写操作是阻塞的，这意味着当一个进程尝试从一个空管道或 FIFO 中读取数据时，它会被阻塞，直到有数据可用为止。同样，当一个进程尝试将数据写入一个满的管道或 FIFO 时，它也会被阻塞，直到有空闲空间为止。
- 在使用管道和 FIFO 进行进程间通信时，需要注意文件描述符的关闭顺序。
- 管道和 FIFO 只能传输字节流，不能传输其他类型的数据，如结构体或指针。
- 如果使用管道或 FIFO 进行进程间通信时，数据量较大，需要进行分段传输，否则可能会导致阻塞或缓冲区溢出等问题。
- 管道和 FIFO 都是单向的，如果需要双向通信，则需要建立两个管道或 FIFO。
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