进程间通信 - 命名管道

---

管道用于相关进程之间的通信。我们是否可以使用管道进行不相关的进程通信，例如，我们想从一个终端执行客户端程序，从另一个终端执行服务器程序？答案是否定的。那么如何才能实现不相关进程的通信呢，简单的答案就是命名管道。尽管这适用于相关进程，但使用命名管道进行相关进程通信没有任何意义。

我们使用一根管道进行单向通信，使用两根管道进行双向通信。相同的条件是否适用于命名管道。答案是否定的，我们可以使用单个命名管道来进行双向通信（服务器和客户端之间的通信，同时加上客户端和服务器之间的通信），因为命名管道支持双向通信。

命名管道的另一个名称是FIFO（先进先出）。让我们看看创建命名管道的系统调用（mknod()），命名管道是一种特殊的文件。

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

int mknod(const char *pathname, mode_t mode, dev_t dev);

该系统调用将创建一个特殊的文件或文件系统节点，例如普通文件、设备文件或 FIFO。系统调用的参数是路径名、模式和dev。路径名以及模式属性和设备信息。路径名是相对的，如果未指定目录，则会在当前目录中创建。指定的模式是文件模式，它指定文件类型，例如文件类型和文件模式，如下表所示。dev 字段用于指定设备信息，例如主设备号和次设备号。

文件模式也可以用八进制表示法表示，例如0XYZ，其中X代表所有者，Y代表组，Z代表其他人。X、Y或Z的取值范围是0到7。读、写和执行的值分别是4、2、1。如果需要结合读取、写入和执行，则相应地添加值。

比如说，如果我们提到 0640，那么这意味着所有者有读和写 (4 + 2 = 6)，组有读 (4)，其他人没有权限 (0)。

成功时此调用将返回零，失败时返回 -1。要了解失败的原因，请使用 errno 变量或 perror() 函数进行检查。

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

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode)

该库函数创建一个 FIFO 特殊文件，用于命名管道。该函数的参数是文件名和模式。文件名可以是绝对路径或相对路径。如果未给出完整路径名（或绝对路径），则将在执行进程的当前文件夹中创建该文件。文件模式信息如 mknod() 系统调用中所述。

成功时此调用将返回零，失败时返回 -1。要了解失败的原因，请使用 errno 变量或 perror() 函数进行检查。

让我们考虑一个在一个终端上运行服务器并在另一个终端上运行客户端的程序。该程序仅执行单向通信。客户端接受用户输入并将消息发送到服务器，服务器在输出上打印消息。该过程一直持续到用户输入字符串“end”。

让我们通过一个例子来理解这一点 -

步骤 1 - 创建两个进程，一个是 fifoserver，另一个是 fifoclient。

步骤 2 - 服务器进程执行以下操作 -

• 创建一个名为“MYFIFO”的命名管道（使用系统调用 mknod()）（如果未创建）。

• 打开命名管道以进行只读目的。

• 这里，为Owner创建了具有读写权限的FIFO。组有读取权限，其他没有权限。

• 无限等待来自客户端的消息。

• 如果从客户端收到的消息不是“end”，则打印该消息。如果消息是“end”，则关闭 fifo 并结束进程。

步骤 3 - 客户端进程执行以下操作 -

• 打开命名管道以用于只写目的。

• 接受来自用户的字符串。

• 检查用户是否输入“end”或“end”以外的内容。无论哪种方式，它都会向服务器发送一条消息。但是，如果字符串是“end”，则会关闭 FIFO 并结束进程。

• 无限重复，直到用户输入字符串“end”。

现在让我们看一下 FIFO 服务器文件。

/* Filename: fifoserver.c */
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define FIFO_FILE "MYFIFO"
int main() {
   int fd;
   char readbuf[80];
   char end[10];
   int to_end;
   int read_bytes;
   
   /* Create the FIFO if it does not exist */
   mknod(FIFO_FILE, S_IFIFO|0640, 0);
   strcpy(end, "end");
   while(1) {
      fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY);
      read_bytes = read(fd, readbuf, sizeof(readbuf));
      readbuf[read_bytes] = '\0';
      printf("Received string: \"%s\" and length is %d\n", readbuf, (int)strlen(readbuf));
      to_end = strcmp(readbuf, end);
      if (to_end == 0) {
         close(fd);
         break;
      }
   }
   return 0;
}

编译和执行步骤

Received string: "this is string 1" and length is 16
Received string: "fifo test" and length is 9
Received string: "fifo client and server" and length is 22
Received string: "end" and length is 3

现在，让我们看一下 FIFO 客户端示例代码。

/* Filename: fifoclient.c */
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define FIFO_FILE "MYFIFO"
int main() {
   int fd;
   int end_process;
   int stringlen;
   char readbuf[80];
   char end_str[5];
   printf("FIFO_CLIENT: Send messages, infinitely, to end enter \"end\"\n");
   fd = open(FIFO_FILE, O_CREAT|O_WRONLY);
   strcpy(end_str, "end");
   
   while (1) {
      printf("Enter string: ");
      fgets(readbuf, sizeof(readbuf), stdin);
      stringlen = strlen(readbuf);
      readbuf[stringlen - 1] = '\0';
      end_process = strcmp(readbuf, end_str);
      
      //printf("end_process is %d\n", end_process);
      if (end_process != 0) {
         write(fd, readbuf, strlen(readbuf));
         printf("Sent string: \"%s\" and string length is %d\n", readbuf, (int)strlen(readbuf));
      } else {
         write(fd, readbuf, strlen(readbuf));
         printf("Sent string: \"%s\" and string length is %d\n", readbuf, (int)strlen(readbuf));
         close(fd);
         break;
      }
   }
   return 0;
}

让我们看看到达的输出。

编译和执行步骤

FIFO_CLIENT: Send messages, infinitely, to end enter "end"
Enter string: this is string 1
Sent string: "this is string 1" and string length is 16
Enter string: fifo test
Sent string: "fifo test" and string length is 9
Enter string: fifo client and server
Sent string: "fifo client and server" and string length is 22
Enter string: end
Sent string: "end" and string length is 3

使用命名管道的双向通信

管道之间的通信是单向的。管道通常仅限于单向通信，并且需要至少两个管道才能进行双向通信。管道仅用于相互关联的进程。管道不能用于不相关的进程通信，例如，如果我们想从一个终端执行一个进程，从另一个终端执行另一个进程，则使用管道是不可能的。我们是否有任何简单的方式在两个进程之间进行通信，例如以简单的方式表示不相关的进程？答案是肯定的。命名管道用于两个或多个不相关进程之间的通信，也可以进行双向通信。

我们已经看到了命名管道之间的单向通信，即从客户端到服务器的消息。现在，让我们看一下双向通信，即客户端向服务器发送消息，服务器接收该消息并向客户端发送回另一条消息，使用相同的命名管道。

以下是一个例子 -

步骤 1 - 创建两个进程，一个是 fifoserver_twoway，另一个是 fifoclient_twoway。

步骤 2 - 服务器进程执行以下操作 -

• 如果未创建，则在 /tmp 目录中创建名为“fifo_twoway”的命名管道（使用库函数 mkfifo()）。

• 打开命名管道以进行读写目的。

• 这里，为Owner创建了具有读写权限的FIFO。组有读取权限，其他没有权限。

• 无限等待来自客户端的消息。

• 如果从客户端收到的消息不是“end”，则打印该消息并反转字符串。反转后的字符串被发送回客户端。如果消息是“end”，则关闭 fifo 并结束进程。

步骤 3 - 客户端进程执行以下操作 -

• 打开命名管道以进行读写目的。

• 接受来自用户的字符串。

• 检查用户是否输入“end”或“end”以外的内容。无论哪种方式，它都会向服务器发送一条消息。但是，如果字符串是“end”，则会关闭 FIFO 并结束进程。

• 如果消息以非“end”形式发送，则等待来自客户端的消息（反转字符串）并打印反转字符串。

• 无限重复，直到用户输入字符串“end”。

现在，让我们看一下 FIFO 服务器示例代码。

/* Filename: fifoserver_twoway.c */
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define FIFO_FILE "/tmp/fifo_twoway"
void reverse_string(char *);
int main() {
   int fd;
   char readbuf[80];
   char end[10];
   int to_end;
   int read_bytes;
   
   /* Create the FIFO if it does not exist */
   mkfifo(FIFO_FILE, S_IFIFO|0640);
   strcpy(end, "end");
   fd = open(FIFO_FILE, O_RDWR);
   while(1) {
      read_bytes = read(fd, readbuf, sizeof(readbuf));
      readbuf[read_bytes] = '\0';
      printf("FIFOSERVER: Received string: \"%s\" and length is %d\n", readbuf, (int)strlen(readbuf));
      to_end = strcmp(readbuf, end);
      
      if (to_end == 0) {
         close(fd);
         break;
      }
      reverse_string(readbuf);
      printf("FIFOSERVER: Sending Reversed String: \"%s\" and length is %d\n", readbuf, (int) strlen(readbuf));
      write(fd, readbuf, strlen(readbuf));
      /*
      sleep - This is to make sure other process reads this, otherwise this
      process would retrieve the message
      */
      sleep(2);
   }
   return 0;
}

void reverse_string(char *str) {
   int last, limit, first;
   char temp;
   last = strlen(str) - 1;
   limit = last/2;
   first = 0;
   
   while (first < last) {
      temp = str[first];
      str[first] = str[last];
      str[last] = temp;
      first++;
      last--;
   }
   return;
}

编译和执行步骤

FIFOSERVER: Received string: "LINUX IPCs" and length is 10
FIFOSERVER: Sending Reversed String: "sCPI XUNIL" and length is 10
FIFOSERVER: Received string: "Inter Process Communication" and length is 27
FIFOSERVER: Sending Reversed String: "noitacinummoC ssecorP retnI" and length is 27
FIFOSERVER: Received string: "end" and length is 3

现在，让我们看一下 FIFO 客户端示例代码。

/* Filename: fifoclient_twoway.c */
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define FIFO_FILE "/tmp/fifo_twoway"
int main() {
   int fd;
   int end_process;
   int stringlen;
   int read_bytes;
   char readbuf[80];
   char end_str[5];
   printf("FIFO_CLIENT: Send messages, infinitely, to end enter \"end\"\n");
   fd = open(FIFO_FILE, O_CREAT|O_RDWR);
   strcpy(end_str, "end");
   
   while (1) {
      printf("Enter string: ");
      fgets(readbuf, sizeof(readbuf), stdin);
      stringlen = strlen(readbuf);
      readbuf[stringlen - 1] = '\0';
      end_process = strcmp(readbuf, end_str);
      
      //printf("end_process is %d\n", end_process);
      if (end_process != 0) {
         write(fd, readbuf, strlen(readbuf));
         printf("FIFOCLIENT: Sent string: \"%s\" and string length is %d\n", readbuf, (int)strlen(readbuf));
         read_bytes = read(fd, readbuf, sizeof(readbuf));
         readbuf[read_bytes] = '\0';
         printf("FIFOCLIENT: Received string: \"%s\" and length is %d\n", readbuf, (int)strlen(readbuf));
      } else {
         write(fd, readbuf, strlen(readbuf));
         printf("FIFOCLIENT: Sent string: \"%s\" and string length is %d\n", readbuf, (int)strlen(readbuf));
         close(fd);
         break;
      }
   }
   return 0;
}

编译和执行步骤

FIFO_CLIENT: Send messages, infinitely, to end enter "end"
Enter string: LINUX IPCs
FIFOCLIENT: Sent string: "LINUX IPCs" and string length is 10
FIFOCLIENT: Received string: "sCPI XUNIL" and length is 10
Enter string: Inter Process Communication
FIFOCLIENT: Sent string: "Inter Process Communication" and string length is 27
FIFOCLIENT: Received string: "noitacinummoC ssecorP retnI" and length is 27
Enter string: end
FIFOCLIENT: Sent string: "end" and string length is 3