【并发编程三】C++实现通信——管道（pipe）

一、管道（pipe）
二、匿名管道
- 1、简介
- 2、父子进程：匿名管道的通信过程？
- 3、相关函数
- - 3.1、创建管道CreatePipe
  - 3.2、写入管道WriteFile
  - 3.3、读取管道ReadFile
  - 3.4、获取句柄GetStdHandle
- 4、demo
- 5、结果
三、有名管道
- 1、简介
- 2、两个进程间：命名管道的工作过程
- 3、相关函数
- - 3.1、创建命名管道CreateNamedPipe
  - 3.2、监听请求ConnectNamedPipe
  - 3.3、等候一个命名管道实例WaitNamedPipe
- 4、demo
- 5、输出

一、管道（pipe）

所谓的管道，就是内核⾥⾯的⼀串缓存（Pipe）。一个进程从管道的⼀端写⼊的数据，实际上是缓存在内核中的，另⼀端读取，也就是从内核中读取这段数据。

有两种类型的管道：匿名管道，有名管道（也叫命名管道）

二、匿名管道

1、简介

匿名管道只能用于父子进程间通信，不能跨网络通信，并且通信是单向。另外，管道传输的数据是⽆格式的流且⼤⼩受限。

正常情况下，控制台进程的输输入出是在控制台窗口的，但是如果我们在创建子进程的时候指定了其输入输出，那么子进程就会从我们的管道读数据，把输出数据写到我们指定的管道。
这就是我们代码中重定向标准输入的原因，否则system(“pause”）会无效。

2、父子进程：匿名管道的通信过程？

父进程写管道、子进程读管道，过程如下。

1、父进程，CreatePipe()创建管道会得到两个句柄，即，管道的读句柄和管道的写句柄。
2、父进程执行CreateProcess()启动子进程时，可以把句柄传（比如把读句柄传给子进程）递给子进程，写句柄父进程自己保存。
3、父进程调用调用WriteFile（）将数据写入到管道。
4、子进程调用GetStdHandle（）取得管道的读句柄，
5、然后，子进程ReadFile（）从管道读取出数据。

这样就做到了两个进程各有一个句柄（父进程写句柄、子进程读句柄），两个进程就可以通过各⾃的句柄写⼊和读取同⼀个管道⽂件实现跨进程通信。

以上流程说的是父进程写管道，子进程读管道。当然，也可以反过来，子进程写、父进程读，那就是父进程把写句柄给子进程，父进程保存读句柄）

3、相关函数

3.1、创建管道CreatePipe

BOOL CreatePipe(
PHANDLE hReadPipe; //指向管道读句柄
PHANDLE hWritePipe; //指向管道写句柄
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpPipeAttributes;  //指向管道安全属性
DWORD nSize; //管道大小
)

linux系统下对应的创建匿名管道的函数是

3.2、写入管道WriteFile

BOOL WriteFile(HANDLE  hFile,//文件句柄LPCVOID lpBuffer,//数据缓存区指针DWORD   nNumberOfBytesToWrite,//要写的字节数LPDWORD lpNumberOfBytesWritten,//用于保存实际写入字节数的存储区域的指针LPOVERLAPPED lpOverlapped//OVERLAPPED结构体指针
);

3.3、读取管道ReadFile

BOOL ReadFile(HANDLE hFile, //文件的句柄LPVOID lpBuffer, //接收数据的缓冲区DWORD nNumberOfBytesToRead,    //读取的字节数LPDWORD lpNumberOfBytesRead,    //指向实际读取字节数的指针LPOVERLAPPED lpOverlapped//如文件打开时指定了FILE_FLAG_OVERLAPPED，那么必须，用这个参数引用一个特殊的结构。//该结构定义了一次异步读取操作。否则，应将这个参数设为NULL
);

3.4、获取句柄GetStdHandle

该函数用于取得指定的标准设备的句柄（标准输入，标准输出或标准错误），本文demo用于：子进程获取父进程传递的读句柄。

HANDLE WINAPI GetStdHandle( _In_ DWORD nStdHandle);

GetStdHandle函数的参数可以是下列之一

参数	含义
STD_INPUT_HANDLE	标准输入句柄
STD_OUTPUT_HANDLE	标准输出句柄
STD_ERROR_HANDLE	标准错误句柄

4、demo

父进程

//main.cpp
#include <windows.h>
#include "iostream"
#define BUFSIZE 4096
using namespace std;int main(int argc, char* argv[])
{cout << "\n ** This is a message from the father process. ** \n";cout << "第一步：创建管道" << endl;// Set the bInheritHandle flag so pipe handles are inherited. SECURITY_ATTRIBUTES saAttr;saAttr.nLength = sizeof(SECURITY_ATTRIBUTES);saAttr.bInheritHandle = TRUE;saAttr.lpSecurityDescriptor = NULL;// Create a pipe for the child process's STDIN. HANDLE handle_read;HANDLE handle_write;bool ret = CreatePipe(&handle_read, &handle_write, &saAttr, 0);if (!ret){cout << "创建进程失败：create pipe fail" << endl;}//设置写句柄不可以被子进程继承,不设置也不影响。 Ensure the write handle to the pipe for STDIN is not inherited. if (!SetHandleInformation(handle_write, HANDLE_FLAG_INHERIT, 0)){cout << "设置句柄失败：set handle fail!" << endl;}cout << "第一步：子进程、设置管道句柄的继承" << endl; {// Create the child process. char cmdline[] = "childprocess.exe";PROCESS_INFORMATION piProcInfo;// Set up members of the PROCESS_INFORMATION structure. ZeroMemory(&piProcInfo, sizeof(PROCESS_INFORMATION));// Set up members of the STARTUPINFO structure. // This structure specifies the STDIN handles for redirection.STARTUPINFO si;ZeroMemory(&si, sizeof(STARTUPINFO));si.cb = sizeof(STARTUPINFO);si.hStdInput = handle_read; //把管道的读句柄传给子进程si.dwFlags |= STARTF_USESTDHANDLES;// Create the child process.ret = CreateProcess(NULL, cmdline, NULL, NULL, TRUE, CREATE_NEW_CONSOLE, NULL, NULL, &si, &piProcInfo);if (!ret)cout << "创建子进程失败：create child process faile!";else{cout << "创建子进程成功：create child process sucess!";// Close handles to the child process and its primary thread.CloseHandle(piProcInfo.hProcess);CloseHandle(piProcInfo.hThread);CloseHandle(handle_read);}}cout << "第三步：向管道中写入数据：write to pipe." << endl;{// write contents to the pipe for the child's STDIN.DWORD len;char chBuf[BUFSIZE] = " hello pipe";for (int i = 0; i < 10; i++){bool ret = WriteFile(handle_write, chBuf, sizeof(chBuf), &len, NULL);//子进程读了后，父进程才可以继续写入管道if (!ret){cout << "写入管道数据失败。i=" << i << endl;break;}else {cout << "send data " << i << " is:" << chBuf << endl;}}cout << "写入管道数据结束。" << endl;// Close the pipe handle so the child process stops reading. if (!CloseHandle(handle_write))cout << "colse handle fail" << endl;}return 0;
}

#CmakeLists.txt
CMAKE_MINIMUM_REQUIRED(VERSION 3.8.0)PROJECT(process)ADD_EXECUTABLE(process main.cpp)ADD_SUBDIRECTORY(childprocess)SET(EXECUTABLE_OUTPUT_PATH "${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib")

子进程

// main.cpp
#include <windows.h>
#include"iostream"
#define BUFSIZE 4096
using namespace std;int main(int argc, char* argv[])
{ cout<<"\n ** This is a message from the child process. ** \n";CHAR chBuf[BUFSIZE]; DWORD len; HANDLE handle_read; handle_read = GetStdHandle(STD_INPUT_HANDLE);if (handle_read == INVALID_HANDLE_VALUE)ExitProcess(1); for (int i = 0;i<5;i++){ // Read from standard input and stop on error or no data.bool ret = ReadFile(handle_read, chBuf, BUFSIZE, &len, NULL);if (!ret || len == 0){cout << "读取数据失败" << endl;break;}cout << "receive data "<<i<<" is:" << chBuf << endl;} cout << "读取数据结束" << endl;Sleep(5000);freopen("CON", "r", stdin);    // 重定向输入,否则system("pause")会无效//CloseHandle(handle_read);system("pause");return 0;
}

#CmakeLists.txt
CMAKE_MINIMUM_REQUIRED(VERSION 3.8.0)SET(TARGET "childprocess")ADD_EXECUTABLE(childprocess main.cpp)SET(LIBRARY_OUTPUT_PATH "${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib")
SET(EXECUTABLE_OUTPUT_PATH "${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib")

5、结果

父进程
子进程
后记

1.子进程取出管道中的数据后，父进程才可以继续往管道中写入数据
2.父进程在输入第5个send data后，子进程并没有读取。但是当子的sleep结束后，不知什么原因，不确定第5次的输入是被谁读走的。
3.子进程的sleep函数之前的输出如下

三、有名管道

1、简介

命名管道，顾名思义，这个管道肯定是有名字的。通过管道的名字来确保多个进程访问同一个管道。事实上，命名管道不仅可在同一台计算机的不同进程之间传输数据，甚至能在跨越一个网络的不同计算机的不同进程之间，支持可靠的、单向或双向的数据通信。

命名管道的服务器和客户机的区别在于：
服务器是唯一一个有权创建命名管道的进程，也只有他才能接受管道客户机的连接请求。
而客户机只能同一个线程的命名管道服务器建立连接。

命名管道具有很好的使用灵活性，表现在：
　　1) 既可用于本地，又可用于网络。
　　2) 可以通过它的名称而被引用。
　　3) 支持多客户机连接。
　　4) 支持双向通信。
　　5)支持异步重叠I/O操作

2、两个进程间：命名管道的工作过程

3.2 服务器
命名管道服务器,步骤如下：
1）使用API函数CreateNamedPipe，创建一个命名管道实例句柄。
2）使用API函数ConnectNamedPipe，在命名管道实例上监听客户机连接请求。
3）分别使用ReadFile和WriteFile这两个API函数，从客户机接收数据，或将数据发给客户机。
4）使用API函数DisconnectNamedPipe，关闭命名管道连接。
5）使用API函数CloseHandle，关闭命名管道实例句柄。
3.2 客户端
命名管道客户机,步骤如下：
1）调用API函数WaitNamedPipe，等候一个命名管道实例可供使用。
2）调用API函数CreateFile，打开命名管道实例并建立连接。
3）调用API函数WriteFile和ReadFile，分别向服务器发送数据和从中接收数据。
4）调用API函数CloseHandle，关闭打开的命名管道会话。

3、相关函数

3.1、创建命名管道CreateNamedPipe

创建命名管道的实例，并返回后续管道操作的句柄。

HANDLE CreateNamedPipeA([in]           LPCSTR                lpName,[in]           DWORD                 dwOpenMode,[in]           DWORD                 dwPipeMode,[in]           DWORD                 nMaxInstances,[in]           DWORD                 nOutBufferSize,[in]           DWORD                 nInBufferSize,[in]           DWORD                 nDefaultTimeOut,[in, optional] LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes
);

CreateNamedPipe函数接口中的第一个参数lpName: .\pipe\pipename，必须为这种格式。中间的“.”表示本地机器，如果要跟远程机器建立连接，则需要设定远程服务器的名字。

详细解释请参考：CreateNamedPipeA 函数 (winbase.h)

3.2、监听请求ConnectNamedPipe

在命名管道实例上监听客户机连接请求。

BOOL ConnectNamedPipe([in]                HANDLE       hNamedPipe,[in, out, optional] LPOVERLAPPED lpOverlapped
);

详细解释请参考：ConnectNamedPipe 函数 (namedpipeapi.h)

3.3、等候一个命名管道实例WaitNamedPipe

等到超时间隔过或指定命名管道的实例可用于连接

BOOL ConnectNamedPipe([in]                HANDLE       hNamedPipe,[in, out, optional] LPOVERLAPPED lpOverlapped
);

详细解释请参考：WaitNamedPipeA 函数 (winbase.h)

4、demo

服务端

#include <iostream>
#include <windows.h>
using namespace std;int main()
{printf("创建命名管道并等待连接\n");char pipeName[] = "\\\\.\\Pipe\\mypipe";HANDLE hPipe = CreateNamedPipe(pipeName, PIPE_ACCESS_DUPLEX, PIPE_TYPE_MESSAGE | PIPE_READMODE_MESSAGE | PIPE_WAIT, PIPE_UNLIMITED_INSTANCES, 0, 0, NMPWAIT_WAIT_FOREVER, 0);//waiting to be connectedif (ConnectNamedPipe(hPipe, NULL) != NULL){printf("连接成功，开始发送数据\n");DWORD    dwWrite;const char* pStr = "data from server";if (!WriteFile(hPipe, pStr, strlen(pStr), &dwWrite, NULL)){cout << "write failed..." << endl << endl;return 0;}cout << "sent data: " << endl << pStr << endl << endl;}DisconnectNamedPipe(hPipe);CloseHandle(hPipe);//关闭管道printf("关闭管道\n");system("pause");
}

客户端

// ClientPip.cpp #include <iostream>
#include <windows.h>
using namespace std;
#define BUFSIZE 5int main()
{printf("命名管道:客户端上线\n");printf("按任意键以开始连接命名管道\n");getchar();printf("开始等待命名管道\n");char pipeName[] = "\\\\.\\Pipe\\mypipe";if (WaitNamedPipe(pipeName, NMPWAIT_WAIT_FOREVER) == FALSE)return 0;printf("打开命名管道\n");HANDLE hPipe = CreateFile(pipeName, GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0,NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);if ((long)hPipe == -1)return 0;//接收服务端发回的数据BOOL fSuccess = false;DWORD len = 0;char buffer[BUFSIZE];string recvData = "";do{fSuccess = ReadFile(hPipe, buffer, BUFSIZE * sizeof(char), &len, NULL);char buffer2[BUFSIZE + 1] = { 0 };memcpy(buffer2, buffer, len);recvData.append(buffer2);if (!fSuccess || len < BUFSIZE)break;} while (true);cout << "recv data:" << endl << recvData.c_str() << endl << endl;FlushFileBuffers(hPipe);DisconnectNamedPipe(hPipe);CloseHandle(hPipe);system("pause");return 0;
}

5、输出

参考：
1、C++的创建命名管道（CreateNamedPipe）
2、C++实现进程通信（管道pipe）

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