Linux应用开发（8）：Linux进程间通信（IPC）：管道

Linux应用开发（7）：Linux进程间通信（IPC）：POSIX消息队列https://blog.csdn.net/tecsai/article/details/137879465

1. 简述

        我们在前面已经介绍了进程间通信（IPC）常用的“消息队列”。本节将讲解另外一种常用的IPC机制，我们称作管道。

        管道可以理解为一种特殊的文件，也可以理解为一种特殊的缓冲区，它允许两个进程通过一个半双工的通道进行数据通信。

2. 基本概念

        上面提到，管道是半双工的，数据只能向一个方向流动。在使用过程中，需要双方同时打开（也可以由父进程先打开，再由子进程继承）。管道分为无名管道和命名管道。

无名管道

        无名管道只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程），它之所以成为无名管道，是因为它们不需要文件系统中的文件支持。管道的缓冲区是有限的。

命名管道

        相对于无名管道，命名管道是基于特殊的文件来进行通信的。在使用时，首先需要文件系统中有一个路径和名称，因此命名管道是可以允许不相关的进程进行通信。

3. 无名管道

        无名管道顾名思义，是没有被命名的管道，其存在于内存中，仅允许相关的两个进程间进行通信。

PS：可以联想到无名信号量和有名信号量，前者在内存中，仅允许关联进程同步，后者则可以在不相关联的进程间进行同步。

        无名管道的创建采用如下API。

#include <unistd.h>

int pipe(int fd[2]);

        fd 是一个整型数组，包含两个元素：fd[0] 用于读取，fd[1] 用于写入。

        无名管道例程。

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <sys/wait.h>


int main(int argc, char* argv[])

{

    int fds[2];

    pid_t pid;

    char buffer[50];

    if (pipe(fds) == -1) {

        perror("pipe");

        exit(EXIT_FAILURE);

    }

    /** 创建进程. */

    pid = fork();

    if (pid == -1) {

        perror("fork");

        exit(EXIT_FAILURE);

    }

    if (pid == 0) {

        /** 子进程：写入管道. */

        close(fds[0]); ///< 关闭读端

        write(fds[1], "Hello, Parent!", 15);

        close(fds[1]); ///< 写入后关闭写端

    } else {

        /** 父进程：读取管道。 */

        wait(NULL); ///< 等待子进程结束

        close(fds[1]); ///< 关闭写端

        read(fds[0], buffer, 50);

        close(fds[0]); ///< 读取后关闭读端

        printf("Parent Process: %s\n", buffer);

    }

    return 0;

}

4. 命名管道

        命名管道（FIFO）是一种特殊的文件，它允许不相关的进程通过一个命名的路径进行通信。与无名管道不同，命名管道在文件系统中有一个路径和名称。

        创建命名管道的API如下。

#include <sys/stat.h>

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

命名管道例程。

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <fcntl.h>

#include <sys/stat.h>


int main(int argc, char* argv[])

{

    /** 文件路径. */

    const char *fifo_name = "my_fifo";

    int fd;

    /** 创建命名管道. */

    if (mkfifo(fifo_name, 0666) == -1) {

        perror("mkfifo");

        exit(EXIT_FAILURE);

    }

    /** 打开命名管道进行写入. */

    fd = open(fifo_name, O_WRONLY);

    if (fd == -1) {

        perror("open");

        exit(EXIT_FAILURE);

    }

    /** 写入命名管道. */

    write(fd, "Hello, through FIFO!", 20);

    close(fd);

    /** 清理命名管道. */

    unlink(fifo_name);

    return 0;

}

5. 什么时候选择使用管道

父子进程通信：在C++程序中，你可能需要创建子进程来执行特定的任务。管道可以用来在父进程和子进程之间安全地交换数据。

进程生成和过滤：如果你的应用程序需要生成大量的数据，并且这些数据需要被另一个进程即时处理或过滤，管道可以有效地连接生成器和消费者。

并行处理：在需要并行处理任务时，可以通过管道将任务的输出传递给其他进程，这些进程可以并行地处理数据。

后台任务处理：当你需要在后台运行一个任务，并且不希望阻塞主进程时，可以使用管道来与后台任务通信。

日志记录：管道可以用于实现日志系统，其中一个进程负责记录日志信息，而另一个进程负责监控和处理这些日志。

信号传递：在多进程程序中，管道可以用来传递信号，如通知其他进程某个事件已经发生。

资源共享：当多个进程需要访问同一个资源，但又需要协调访问以避免冲突时，可以使用管道来控制对资源的访问。

简化线程使用：在某些情况下，使用管道进行进程间通信比使用线程更简单，尤其是在涉及复杂同步和锁管理的场景中。

跨平台兼容性：如果你的C++应用程序需要在不同的操作系统上运行，使用管道可以提高代码的可移植性。

模块化设计：在构建模块化的C++应用程序时，管道可以帮助你将不同的功能模块化为独立的进程，并通过管道进行通信。