【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

从零开始：基于命名管道实现客户端与服务器的实时通信 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

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.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
server:server.cc
	g++ -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）：