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Linux操作系统之进程间通信：命名管道

ops 2025/7/12 21:40:54

前言：

一、什么是命名管道

二、如何创建命名管道

三、命名管道的读写端

四、命名管道的阻塞问题

1. 阻塞模式（默认行为）

2. 非阻塞模式（O_NONBLOCK）

总结

前言：

我们昨天给大家模拟实现了一个匿名管道的经典应用场景：进程池。

今天，我将会为大家带来管道中的另外一种管道：命名管道(FIFO)

其作为其中一种经典的通信方式，既有管道(pipe)的简单性，又突破了匿名管道只能用于父子进程间通信的限制。本文将全面深入地介绍命名管道的原理、使用方法和实际应用场景。希望能够对大家有所帮助。

一、什么是命名管道

先简单回顾一下我们前几节所写的内容，我们讲了匿名管道的有关知识，知道一旦创建管道的进程终止，管道就不复存在。也知道匿名管道通常是依靠父子进程的写时拷贝机制，看见同一份资源而实现进程间通信的。

所以匿名管道有一个十分明显的特性：只能用于父子进程或有共同祖先的进程间通信

如果两个进程之间不具备任何血缘关系，那我们又应该怎么才能让他俩看见同一份资源，实现进程间通信呢？

答案就是命名管道！

命名管道(FIFO, First In First Out)是一种特殊的文件类型，它在文件系统中有一个名称。最关键的是，由于有名字，是一个文件，我们就知道他的路径，而具有路径+文件名，就具有唯一性，任何进程就都能找到这个文件。因此不相关的进程可以通过这个名称访问同一个FIFO进行通信。

我们普通的文件，既有内核级缓冲区，也会涉及到从缓冲区把数据刷新的到磁盘的操作。

但是命名管道是特殊的文件，我们可以通过mkfifo指令在linux中创建一个命名管道文件：

可以看到，该文件的前缀是p。（p的含义就是只使用内核级缓冲区，而不做刷新操作）。

二、如何创建命名管道

在shell中，可以使用mkfifo命令创建命名管道。而在编程中，我们可以使用mkfifo()函数创建命名管道：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

这个函数的本质是创建一个fifo文件，所以第一个参数，就类似与opne函数的写操作，是该文件的一个路径信息，而mode参数也是一样的，表示这个fifo文件的权限，同样受umask限制。

而创建该fifo文件后，我们就可以调用open函数打开这个管道，进行读写。

使用完毕后应关闭文件描述符：close(fd);

而要删除FIFO文件，可以使用unlink()：

由于读写肯定是两个进程之间的事情，所以我们接下来就来模拟一下，分别实现两个进程，进行进程间通信！

三、命名管道的读写端

我们接下来就来实现一下读端进程与写端进程，随后在两个bash中分别调用，进行信息传递。

首先就是读端。

我们可以封装一个Init类，在构造函数中自动创建一个管道，在他的析构函数中自动关闭管道，随后创建一个全局变量Init init，之后，我们就可以在包含这个hpp文件的代码中使用这个全局变量

：

#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>class Init
{public:Init(){umask(0);int n = ::mkfifo("fifo", 0666);if(n<0){std::cerr<<"mkfifo error"<<std::endl;return;}std::cout<<"mkfifo success"<<std::endl;}~Init(){int n =::unlink("fifo");if(n<0){std::cerr<<"unlink error"<<std::endl;return;}std::cout<<"unlink success"<<std::endl;}
};Init init;

随后，我们可以继续封装一个Reader类，负责实现我们从管道里读取数据的一系列接口：打开管道，读取信息，关闭管道这三个接口：


class Reader
{public:Reader(int fd=-1):_fd(fd){}void OpneFifo()//打开一个命名管道{_fd=::open("fifo",O_RDONLY);if(_fd<0){std::cerr<<"open error"<<std::endl;}}int ReadPipe(std::string *out)//这是一个输出型参数，我们把读到的数据传给此参数{char buffer[1024];ssize_t n=::read(_fd,buffer,sizeof(buffer)-1);if(n>0){buffer[n]='\0';*out=buffer;}return n;}void ClosePipe(){::close(_fd);}private:int _fd;
};

都是比较基础的一些操作，我们之前曾多次使用，所以这里不再详细赘述原因。

这里只是Reader.hpp文件，我们需要创建一个进程，自然需要在Reader.cc中创建main函数，构造结构体进行读取：

#include"reader.hpp"int main()
{Reader reader;reader.OpneFifo();std::string message;while (true){if (reader.ReadPipe(&message) > 0){std::cout << "client Say# " << message << std::endl;}else{break;}}reader.ClosePipe();return 0;
}

写端代码是一样的结构，除了少了一个ini全局变量，而这个init其实也可以在写端声明，读写端谁先打开创建管道其实没有区别（这点我们会在后面说明）

所以写端代码如下：

#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>class Writer
{public:Writer(int fd=-1):_fd(fd){}void OpneFifo()//打开一个命名管道{_fd=::open("fifo",O_WRONLY);if(_fd<0){std::cerr<<"open error"<<std::endl;}}int WritePipe(const std::string &in)//这是一个输入型参数，我们把此数据写入管道中{return ::write(_fd,in.c_str(),in.size());}void ClosePipe(){::close(_fd);}private:int _fd;
};

#include"writer.hpp"int main()
{Writer writer;writer.OpneFifo();std::string message;while(true){std::cout<<"请输入#";std::getline(std::cin,message);writer.WritePipe(message);}writer.ClosePipe();return 0;
}

分别编译代码并运行，我们可以看见我们的两个进程，writer与reader两个没有血缘关系的进程，已经实现了通信

当然，这样是我们的单向通信。如果想要实现两个进程之间的双向通信，我们可以创建两个管道。随后在两个进程的while循环中进行循环就行了。

四、命名管道的阻塞问题

命名管道的阻塞行为完全由 open() 时的 mode 参数控制，不同组合会导致截然不同的行为

1. 阻塞模式（默认行为）

(1) O_RDONLY（仅读打开）

行为：
- 读进程会在 open() 处阻塞，直到有写进程以 O_WRONLY 打开同一 FIFO。
- 这是典型的"读端等待写端"场景。
用途：
- 确保写端就绪后再开始读取，避免读取空管道。

(2) O_WRONLY（仅写打开）

行为：
- 写进程会在 open() 处阻塞，直到有读进程以 O_RDONLY 打开同一 FIFO。
- 这是典型的"写端等待读端"场景。
用途：
- 确保读端就绪后再开始写入，避免写入无读者的管道（否则会触发 SIGPIPE）。

值得一提的是潜在死锁的问题，若两个进程以相反顺序打开：

// 进程A（读端）
int fd = open("fifo", O_RDONLY); // 阻塞等写端// 进程B（写端）
int fd = open("fifo", O_WRONLY); // 阻塞等读端

结果就是：互相等待，形成死锁。

2. 非阻塞模式（`O_NONBLOCK`）

(1) O_RDONLY | O_NONBLOCK（非阻塞读打开）

行为：
- open() 立即成功返回，即使没有写端打开。
- 后续 read() 的行为：
  - 若管道为空：返回 -1，errno=EAGAIN。
  - 若所有写端关闭：返回 0（EOF）。
用途：
- 需要轮询检查数据的场景（如事件驱动模型）。

(2) O_WRONLY | O_NONBLOCK（非阻塞写打开）

行为：
- 如果没有读端打开：
  - open() 立即失败，返回 -1，errno=ENXIO。
- 如果有读端打开：
  - open() 成功，后续 write() 的行为：
    - 若管道缓冲区满：返回 -1，errno=EAGAIN。
    - 若所有读端关闭：触发 SIGPIPE，返回 -1，errno=EPIPE。
用途：
- 避免写进程因无读端而无限阻塞。