Linux 进程间通信之命名管道

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前言

命名管道

创建一个命名管道

前言

书接上回，进程间通信我们利用管道可以通信，但是这些进程都是有血缘关系的进程，那有没有能让两个毫不相干的进程也能通信？有的，我们用命名管道，就能实现两个没有任何关系的进程进行通信。

命名管道

管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。

如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用 FIFO 文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。

命名管道是一种特殊类型的文件

创建一个命名管道

命名管道可以从命令行上创建，命令行方法是使用下面这个命令：

指令： mkfifo filename

echo本来是输出到显示器的，我们加入重定向后，重定到filename这个命名管道文件中，

cat输入重定向从filename当中读取数据 hello world ，我们再ll命令发现filename文件大小还是0。f

那如何删除命名管道啊？

指令：unlink filename 或者 rm -f filename

这时你会想知道，命令管道如何在程序中如何创建？代码实现我们先不急，先理解两个没有任何关系的进程，它们进程间通信的底层原理。

从匿名管道中我们知道进程想要通信，首先就是要让两个进程看到同一份资源，匿名管道天然具有这种优势，子进程会继承父进程的所有资源。但是命名管道不是这样的，那如何让两个进程看到同一份资源？

那就是两个进程打开同一个文件。那如何确保两个进程打开的是同一份文件？首先从OS层面来说，我管你是进程A还是进程B又或者进程C，你们三打开同一个文件，看似打开了三次，实际上OS为了效率，它只会打开一次这个文件，既然这样，那两个进程要通信，直接打开文件名相同的且路径相同文件就行了。为什么加路径？因为路径是唯一的。所以我们就能确保两个进程打开的是同一份文件。

这时有人就会问了，那我直接在两个进程中用系统调用open这个函数打开文件不就看到同一份资源了吗？一个进行读，一个进行写不就通信了吗？为什么还要用命名管道。首先两个进程从磁盘上读取，加载到内存，又从内存中写入，拷贝到磁盘中，这个过程就很慢，凡是和磁盘打交道，那就是慢慢慢！！！而刚才我们看到filename是没有字节的，这就意味着命名管道是不需要刷盘的，它是内存级的文件速度很快。

代码实现

实现之前我们需要先了解一个系统调用接口 mkfifo

mkfifo 函数用于创建一个 FIFO （First-In-First-Out）特殊文件，也就是一个命名管道。以下是 mkfifo 函数的手册页翻译：

名称 mkfifo - 创建一个 FIFO 特殊文件（命名管道）

头文件

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

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

描述 mkfifo() 用指定的 pathname 创建一个 FIFO 特殊文件。mode 参数指定了 FIFO 的权限。文件的权限会受进程的掩码（umask）影响：创建的文件权限为 (mode & ~umask)。

   FIFO 特殊文件类似于管道，但是创建方式不同。FIFO 特殊文件会通过调用 mkfifo() 进入文件系统。

   一旦通过这种方式创建了一个 FIFO 特殊文件，任何进程都可以像操作普通文件一样打开它进行读写。但是，在进行任何输入输出操作之前，必须同时在两端打开它。尝试打开 FIFO 进行读取通常会阻塞，直到有其他进程打开相同的 FIFO 进行写入，反之亦然。参见 fifo(7) 中关于非阻塞处理 FIFO 特殊文件的内容。

返回值 mkfifo() 成功时返回 0。失败时返回 -1（此时 errno 被适当地设置）。

错误 EACCES pathname 中的一个目录不允许搜索（执行）权限。

   EDQUOT 用户在文件系统上的磁盘块或索引节点配额已经耗尽。

   EEXIST pathname 已经存在。这包括 pathname 是符号链接（悬空或非悬空）的情况。

   ENAMETOOLONG
          要么 pathname 的总长度超过了 PATH_MAX，要么其中一个文件名组件的长度超过了 NAME_MAX。在 GNU 系统中，文件名长度没有强制限制，但一些文件系统可能对文件名组件的长度施加限制。

   ENOENT pathname 中的一个目录组件不存在或者是一个悬空的符号链接。

   ENOSPC 目录或文件系统没有足够的空间用来创建新文件。

   ENOTDIR
          pathname 中的一个组件用作目录，但事实上不是目录。

   EROFS  pathname 指向的是一个只读文件系统。

#pragma once

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

#define FIFO_FILE  "./myFileName"

我们先自定义头文件comm.hpp这个头文件，我们在这里头文件创建命名管道 client.cc和server.cc这个两个源文件同时包含。就能看到同一个文件->命名管道。

创建命名管道

#pragma once
#include <iostream>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

#define FIFO_FILE  "./myFileName"
#define MODE 0664

//退出码
enum
{
    FIFO_CREATE_ERR = 1  //管道创建失败退出码设置为1

};

#include "comm.hpp"
using namespace std;
// 创建管道
int main ()
{
    int n = mkfifo(FIFO_FILE,MODE);
    if(n == -1)
    {
        perror("mkfifo");
        exit(FIFO_CREATE_ERR);
    }
    return 0;
}

我们用sever来试试能不能创建创建管道。

管道创建好了是不是就能进行通信了？当然不行，我们现在只是让它们看到同一份资源。

那如何通信？别忘了linux下一切皆文件，当然我们的命名也是文件，那我们就可以利用之前的文件操作的那一套进行通信。open read write close 就是这么的简单。

下面我让client写，server读。

#include "comm.hpp"
using namespace std;
int main ()
{
    int fd = open(FIFO_FILE,O_WRONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        exit(FIFO_OPEN_ERR);
    }

    
    //客户端写入
    string line;
    while(true)
    {
        cout << "Please Enter@ ";
        getline(cin , line);
        int x = write(fd,line.c_str(),line.size());
        
    }
    close(fd);
    return 0;
}

#include "comm.hpp"
using namespace std;
// 创建管道
int main ()
{
  
    //创建管道
    int n = mkfifo(FIFO_FILE, MODE);
    if (n == -1)
    {
        perror("mkfifo");
        exit(FIFO_CREATE_ERR);
    }
    //打开信道

    int fd = open(FIFO_FILE,O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        exit(FIFO_OPEN_ERR);
    }

    //开始通信

    while(true)
    {
        char buffer[1024] = {0};
        int x = read(fd,buffer,sizeof(buffer));
        if(x > 0)
        {
            buffer[x] = 0;
            cout << "client say# " << buffer << endl;
        }
    }

    close(fd);
    
    return 0;
}

前面server写的创建管道不好，每次在命令端都要手动删除管道。下面进行优化，我们comm这个头文件中写一个创建管道的类构造函数初始化管道，析构函数删除管道

class Init
{
public:
    Init()
    {
        int n = mkfifo(FIFO_FILE, MODE);
        if (n == -1)
        {
            perror("mkfifo");
            exit(FIFO_CREATE_ERR);
        }
    }
    ~Init()
    {
        int m = unlink(FIFO_FILE);
        if(m == -1)
        {
            perror("unlink");
            exit(FIFO_DELETE_ERR);
        }
    }
};

其实命名管道的代码比匿名管道代码实现要简单的多。作为一名程序员，你写的程序肯定是要报错的，有时候也会其他的情况，告警等等。那有没有一种方法可以知道我们的程序在哪里出错了，什么时间出错的？出错的原因是什么？并把这些信息写入一个文件中方便我们查看。有的日志

日志

可变参数列表

关于打印日志需要用到可变参数列表那什么是可变参数列表？

可变参数列表是指函数在定义时允许接受不定数量的参数。在许多编程语言中，包括Python，Java和C++等，都支持可变参数列表的特性。

#include <stdarg.h>
#include <stdio.h>

// 一个接受可变参数列表的函数
void print_arguments(int num, ...) {
    va_list args;  // 定义一个va_list类型的变量
    va_start(args, num);  // 初始化args，指向第一个可变参数

    for (int i = 0; i < num; i++) {
        int value = va_arg(args, int);  // 获取下一个可变参数的值
        printf("%d ", value);
    }

    va_end(args);  // 结束args的使用
    printf("\n");
}

int main() {
    print_arguments(3, 10, 20, 30);
    // Output: 10 20 30
    return 0;
}

获取时间的函数locatime

localtime函数是C和C++标准库time.h中的一个函数，用于将日历时间（秒数）转换为本地时间的struct tm结构体。struct tm结构体表示了时间的各个部分，如年、月、日、小时、分钟和秒等。

以下是localtime函数的声明和简单示例：

struct tm *localtime(const time_t *timer);

timer：指向要转换的日历时间的指针。

示例：

#include <time.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    time_t current_time;
    struct tm *local_time;

    time(&current_time);
    local_time = localtime(&current_time);
    printf("Current local time: %d-%d-%d %d:%d:%d\n", 
           local_time->tm_year + 1900, local_time->tm_mon + 1, local_time->tm_mday,
           local_time->tm_hour, local_time->tm_min, local_time->tm_sec);
    return 0;
}

`snprintf`函数

snprintf函数是C语言中的一个格式化字符串输出函数，它可以控制输出字符的数量，避免缓冲区溢出的风险。该函数的作用类似于printf，但是它可以指定输出的最大长度。

以下是snprintf函数的声明和简单示例：

int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...);

str：指向用于存储输出的字符数组的指针。

size：输出的字符数目（包括结尾的空字符）。

format：格式化字符串，用来指定输出的格式。

...：可变数量的参数，根据format字符串的具体内容而定。

示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    char buffer[50];
    int num = 123;
    snprintf(buffer, 50, "The number is %d\n", num);
    printf("Output: %s", buffer);
    return 0;
}

v`snprintf`函数

snprintf函数将格式化后的字符串输出到buffer数组中，最多输出50个字符。即使格式化后的字符串超过了50个字符，snprintf也会在50个字符后停止输出，避免了缓冲区溢出的问题。

通过使用snprintf可以更加安全地进行字符串格式化输出，特别是在处理用户输入等可能带有风险的数据时，可以有效防止缓冲区溢出漏洞。

vsnprintf函数是C语言中的一个格式化字符串输出函数，它类似于snprintf，允许用户指定输出字符的最大数量。与snprintf不同的是，vsnprintf函数使用一个va_list类型的参数来传递可变数量的参数。

以下是vsnprintf函数的声明和简单示例：

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

int vsnprintf(char *str, size_t size, const char *format, va_list ap);

str：指向用于存储输出的字符数组的指针。

size：输出的字符数目（包括结尾的空字符）。

format：格式化字符串，用来指定输出的格式。

ap：va_list类型的参数列表。

示例：

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

void format_string(char *buffer, size_t size, const char *format, ...) {
    va_list args;
    va_start(args, format);
    vsnprintf(buffer, size, format, args);
    va_end(args);
}

int main() {
    char buffer[50];
    format_string(buffer, 50, "The number is %d\n", 123);
    printf("Output: %s", buffer);
    return 0;
}

我们定义了一个辅助函数format_string，它使用vsnprintf来格式化字符串并输出到buffer数组中。通过使用va_list类型的参数列表，vsnprintf可以接受可变数量的参数，更加灵活地进行字符串格式化输出。

vsnprintf函数通常用于创建可变参数的格式化字符串输出函数，可以在实现自定义格式化输出时使用，以提供更加灵活和安全的字符串处理能力。

有了这些基础我们就可以写日志了


#pragma once

#include <iostream>
#include <time.h>
#include <stdarg.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

#define SIZE 1024

#define Info 0
#define Debug 1
#define Warning 2
#define Error 3
#define Fatal 4

#define Screen 1
#define Onefile 2
#define Classfile 3

#define LogFile "log.txt"

class Log
{
public:
    Log()
    {
        printMethod = Screen;
        path = "./log/";
    }
    void Enable(int method)
    {
        printMethod = method;
    }
    std::string levelToString(int level)
    {
        switch (level)
        {
        case Info:
            return "Info";
        case Debug:
            return "Debug";
        case Warning:
            return "Warning";
        case Error:
            return "Error";
        case Fatal:
            return "Fatal";
        default:
            return "None";
        }
    }
 void printLog(int level, const std::string &logtxt)
    {
        switch (printMethod)
        {
        case Screen:
            std::cout << logtxt << std::endl;
            break;
        case Onefile:
            printOneFile(LogFile, logtxt);
            break;
        case Classfile:
            printClassFile(level, logtxt);
            break;
        default:
            break;
        }
    }
    void printOneFile(const std::string &logname, const std::string &logtxt)
    {
        std::string _logname = path + logname;
        int fd = open(_logname.c_str(), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // "log.txt"
        if (fd < 0)
            return;
        write(fd, logtxt.c_str(), logtxt.size());
        close(fd);
    }
    void printClassFile(int level, const std::string &logtxt)
    {
        std::string filename = LogFile;
        filename += ".";
        filename += levelToString(level); // "log.txt.Debug/Warning/Fatal"
        printOneFile(filename, logtxt);
    }

    ~Log()
    {
    }
    void operator()(int level, const char *format, ...)
    {
        time_t t = time(nullptr);
        struct tm *ctime = localtime(&t);
        char leftbuffer[SIZE];
        snprintf(leftbuffer, sizeof(leftbuffer), "[%s][%d-%d-%d %d:%d:%d]", levelToString(level).c_str(),
                 ctime->tm_year + 1900, ctime->tm_mon + 1, ctime->tm_mday,
                 ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec);

        va_list s;
        va_start(s, format);
        char rightbuffer[SIZE];
        vsnprintf(rightbuffer, sizeof(rightbuffer), format, s);
        va_end(s);

        // 格式：默认部分+自定义部分
        char logtxt[SIZE * 2];
        snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), "%s %s\n", leftbuffer, rightbuffer);

        // printf("%s", logtxt); // 暂时打印
        printLog(level, logtxt);
    }

private:
    int printMethod;
    std::string path;
};