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linux进程间通信——学习与应用命名管道，日志程序的使用与实现

news 2024/11/18 19:49:16

前言：本节主要讲解linux进程间通信里面的命名管道，命名管道和我们学过的匿名管道是类似的。博主将会带着友友们先看一下原理，然后就会着手使用以下命名管道是怎么使用的。最后我们还会试着引入日志系统，我们从本节开始就会引入日志这个东西了！以后我们可能会将本节的日志拿过来用，所以友友们要着重学习了！！

ps：本节内容建议学习了匿名管道的友友们进行观看！

命名管道原理

具有血缘关系的进程进行进程间通信，如果毫不相关的进程进行进程间通信呢？这个时候就用到了mkfifo， mkfifo可以创建出一种管道文件， 这种文件是一种命名管道。可以用来让不相关的进程之间进行通信。

这里我们创建一个以myfifo为文件名的命名管道：

然后我们就可以看到这个以p开头的文件，叫做命名管道。并且这个管道是在磁盘上面的。

但是，我们如果向这个管道之中写入数据，就会阻塞住：

所以呢，我们如果再打开一个终端，在我们的管道中去读取，就会看到读取到了内容，并且不会再被阻塞住了！！！ mkfifo管道文件不会保存数据，他只相当于一个中转层。

理解：如果两个不同的进程，打开同一个文件的时候，在内核中，操作系统会打开几个文件？ 那么我们想一下，对于操作系统来说，如果两个进程打开同一个文件，首先文件的struct file因为是一样的，所以就不需要写两份，只需要写一份。而我们的文件的inode， operators，文件缓冲区这些操作系统创建几份呢？操作系统会不会担心错乱呢？ ——答案是只会创建一份，并且不会错乱的，因为操作系统认为两个进程都打开一个文件了，用户都不怕发生冲突，操作系统更不怕发生冲突！！！

所以，我们的两个不同进程打开同一个文件本质上也是这一张图：

如何理解mkfifo

进程间通信的前提：先让不同进程看到同一份资源——也就是struct file。那么问题来了， 为什么我们不去直接让文件去磁盘里面刷盘呢？要知道，我们只需要文件缓冲区就可以实现数据的修改与存储。那么他就不需要再去文件去刷盘了！！！所以说， mkfifo的文件，是一个内存级别的文件。

那么，我们怎么保证，我们打开的是同一个文件呢？ 以及，我们为什么要打开同一个文件呢？ ——看到同一个路径下面的同一个文件名 = 路径 + 文件名（路径 + 文件名具有唯一性！！！） ——也就是说， 命名管道，是利用使用路径 + 文件名的方案，让不同的进程，看到同一份文件资源，进而实现不同文件之间的通信的！！！

那么问题来了， 命名管道能不能也设计成我们之前写的进程池的样子呢？——可以的！只是不需要创建子进程，直接使用mkfifo创建就好了！！！

命名管道和普通管道是一样的——都会面向字节流，进程同步与互斥，生命周期随进程，当使用时需要打开一个写端，一个读端，单向通信等等。不同点就是命名管道可以作用于没有血缘关系的进程之间进行通信。

日志

对于日志，博主也不太熟悉，也没有查过相关资料。这里只是谈一些本篇内容需要用到的东西：

日志包括：日志的内容包括日志的时间， 日志的等级， 日志的内容， 文件的名称和行号等。

其中， 日志时间，日志等级，日志内容一般的日志都会有。并且日志的等级一般有以下几个等级：

Info：常规消息。
Waring：报警信息，不影响整个代码的向后执行，但是需要让用户知道，否则可能会引发一些问题。
Error：比较严重的问题，可能需要立即处理，可能不影响继续向后进程，比如飞机起飞，机长就广播消息，这些消息，是Info消息；当飞机起飞时，这个时候飞机可能会抖动，可能会遇到强气流等等——这就是Waring；后来飞机的发动机出问题了，这个问题非常严重了，虽然飞机仍旧可以飞行，但是可能下一秒就会出事故。——这就是Error
Fatal：致命的当程序遇到致命问题时，如果不解决，程序无法向后执行。
Debug：调试问题。

创建文件

首先我们要创建下面这五个文件,其中Client.cpp是用于客户端输入， Server.cpp是用于服务端读入。然后Log.hpp是用于日志文件。

makefile

make用来生成客户端和服务端的可执行程序

.PHONY:all
all: server.exe client.exeserver.exe:Server.cppg++ -o $@ $^ -g -std=c++11client.exe:Client.cppg++ -o $@ $^ -g -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -f server.exe client.exe

Com.hpp头文件准备

我们在Com.hpp可以先枚举一下管道操作的错误类型。

enum
{FIFO_CREAT_ERR = 1,   //创建出错的错误码FIFO_DELE_ERR = 2,    //删除出错的错误码FIFO_OPEN_ERR = 3     //打开出错的错误码
};

我们打开创建命名管道的时候需要指定命名管道的文件名，所以我们可以定义一个FIFO_FILE作为文件名，然后定义一个MODE当作创建文件名的时候的权限码
#define FIFO_FILE "./myfifo"
#define MODE 0660

然后我们就可以定义一个class类，类的构造函数用来创建管道，类的析构函数用来删除管道。 ——这是一种设计，当我们以后创建管道的时候，只需要定义一个对象，这个时候管道就创建好了，并且当这个对象析构的时候，管道文件就删除了！！！
class Init
{
public:Init(){int n = mkfifo(FIFO_FILE, MODE);if (n == -1) {perror("mkfifo");exit(FIFO_CREAT_ERR);}}~Init(){int m = unlink(FIFO_FILE);if (m == -1){perror("unlink");exit(FIFO_DELE_ERR);}}};
ps：头文件包含哪一个博主没有说，友友们自己查一下man手册即可！

以下是整个Com.hpp的文件代码

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include<unistd.h>#define FIFO_FILE "./myfifo"
#define MODE 0660enum
{FIFO_CREAT_ERR = 1,FIFO_DELE_ERR = 2,FIFO_OPEN_ERR = 3
};class Init
{
public:Init(){int n = mkfifo(FIFO_FILE, MODE);if (n == -1) {perror("mkfifo");exit(FIFO_CREAT_ERR);}}~Init(){int m = unlink(FIFO_FILE);if (m == -1){perror("unlink");exit(FIFO_DELE_ERR);}}};

日志文件的准备

日志文件是本节很重要的一块。我们需要注意：

#define部分

先定义好日志等级

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

定义打印方式——分为在显示器上打印，在一个文件里面打印，在多个文件里面打印:

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

定义打印到目标文件的文件名

#define LogFile "log.txt"

我们打印日志文件到管道里面，所以一定要有日志文件的缓冲区，所以这里要定义一个缓冲区的最大大小：

#define SIZE 1024

定义类

//然后我们定义一个日志的class类：

class Log
{
public:Log(){printStyle = Screen;    //默认打印到屏幕上path = "./log/";        //默认的路径是./log/}public:int printStyle; //打印风格string path; //打印到那个路径下面
};

我们重载（）来当作打印日志内容：
    void operator()(int level, const char* format, ...){//内容先不写}

LevelToString

重载（）里面的内容我们先不写，因为这里面会用到许多别的接口。我们先实现一下别的接口，首先就是我们知道打印日志内容需要日志等级，而日志等级我们在上面define成了数字码0，1， 2， 3等。所以我们接受日志等级使用的是int，现在我们打印日志等级不能只打印数字，所以我们还要将这个数字转变成string类型。所以，我们可以实现一个LevelToString函数，用来将数字转变为string串:
    string LevelToString(int level){switch(level){case Info:return "Info";case Debug:return "Debug";case Waring:return "Waring";case Error:return "Error";default:return "None";}}
有了这个接口之后我们就可以着手实现重载（）了。

operator()

重载（）有两个步骤，第一个步骤是将要打印的数据先保存到缓冲区中。第二个步骤是将缓冲区的数据打印到日志文件里面。

我们先实现第一个步骤:

    void operator()(int level, const char* format, ...){//第一个步骤//获取时间time_t t = time(nullptr); struct tm* ctime = localtime(&t); //先将日志等级和时间放到一个缓冲区之中char leftbuffer[SIZE];   snprintf(leftbuffer, sizeof(leftbuffer), "[%s][%d-%d-%d-%d-%d-%d]", LevelToString(level).c_str(), ctime->tm_year,ctime->tm_mon, ctime->tm_yday, ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec);    //向缓冲区中打印数据//再向要打印的内容放到第二个缓冲区之中va_list s;va_start(s, format);char rightbuffer[SIZE];vsnprintf(rightbuffer, sizeof(rightbuffer), format,s); //va_end(s);//合并两个缓冲区char logtxt[SIZE * 2]; //文本缓冲区， 用来将两个文本文件合起来;snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), "%s %s\n", leftbuffer, rightbuffer);//第二个步骤printLog(logtxt);}

printLog

我们将第二个步骤用一个printLog函数封装。为什么printLog函数要传送日志等级呢？我们前面不是已经打印了日志等级了吗？难道还要再打印一遍吗？——不是的，因为我们的打印日志的时候，定义的是三种打印方式，一种Screen在屏幕上面打印，一种是Onefile在一个文件里面打印，一种是Classfile在多个文件里面打印，当我们在多个文件里面打印的时候我们就可以使用level来区分到底去哪个文件里面打印了。下面我们实现printfLog：
    void printLog(int level, const string logtxt){switch(printStyle){case Screen:cout << logtxt << endl;break;case Onefile:printOneFile(LogFile, logtxt); //向文件里面打, 这个文件名定义的是LogFile            break;case Classfile:printClassFile(level, logtxt);//想多个文件里面打印， 根据level区分去哪个文件里面打印break;default:break;}}
上面的printOneFile用来封装向一个文件里面打印的代码； printClassFile用来封装向多个文件打印到代码。

printOneFile

向一个文件里面写就是很标准的文件写入，先打开文件获取fd，然后判断文件是否打开成功。如果成功就像里面写入数据。最后关闭文件。 ——值得一提的是，这里的logname是打印到的目标文件的文件名。我们在前面加上path（这个path是./log/）是为了创建一个文件夹，以后打印数据都向当前目录的log目录下创建文件进行打印数据。

void printOneFile(const string& logname, const string& logtxt){string _logname = path + logname;   //打印到的文件路径int fd = open(_logname.c_str(), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0660);if (fd < 0) return;write(fd, logtxt.c_str(), logtxt.size()); //文件描述符，文件源， 文件大小close(fd);}

printClassFile

打印到多个文件夹我们就可以根据level转换成字符串的不同，创建出不同的文件名。再将数据打印到这些文件名的文件夹中：

    void printClassFile(int level, const string& logtxt){//创建文件夹的文件名string filename = LogFile;filename += ".";filename += LevelToString(level);printOneFile(filename, logtxt);  //然后去这个文件里打印数据}

Enable

最后我们再加一个用来修改打印方式的函数, 日志系统就完成了

    void Enable(int method){printStyle = method;}

下面是真个日志系统全部代码
全部代码：

#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
#include<stdarg.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>#define SIZE 1024#define Info 0
#define Debug 1
#define Waring 2
#define Error 3
#define Fatal 4#define Screen 1
#define Onefile 2
#define Classfile 3#define LogFile "log.txt"class Log
{
public:Log(){printStyle = Screen;    //默认打印到屏幕上path = "./log/";        //默认的路径是./log/}void Enable(int method){printStyle = method;}void printOneFile(const string& logname, const string& logtxt){string _logname = path + logname;   //打印到的文件路径int fd = open(_logname.c_str(), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0660);if (fd < 0) return;write(fd, logtxt.c_str(), logtxt.size()); //文件描述符，文件源， 文件大小close(fd);}void printClassFile(int level, const string& logtxt){//创建文件夹的文件名string filename = LogFile;filename += ".";filename += LevelToString(level);printOneFile(filename, logtxt);  //然后去这个文件里打印数据}void printLog(int level, const string logtxt){switch(printStyle){case Screen:cout << logtxt << endl;break;case Onefile:printOneFile(LogFile, logtxt); //向文件里面打, 这个文件名定义的是LogFile            break;case Classfile:printClassFile(level, logtxt);break;default:break;}}void operator()(int level, const char* format, ...){//获取时间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,ctime->tm_mon, ctime->tm_mday, ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec);    //向缓冲区中打印数据va_list s;va_start(s, format);char rightbuffer[SIZE];vsnprintf(rightbuffer, sizeof(rightbuffer), format,s); //va_end(s);char logtxt[SIZE * 2]; //文本缓冲区， 用来将两个文本文件合起来;snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), "%s %s\n", leftbuffer, rightbuffer);//将要打印的数据放到缓冲区里面后就可以打印数据了printLog(level, logtxt);}string LevelToString(int level){switch(level){case Info:return "Info";case Debug:return "Debug";case Waring:return "Waring";case Error:return "Error";default:return "None";}}public:int printStyle; //打印风格string path; //打印到那个路径下面
};

Sever端

接下来准备我们的Sever端，这里我们写日志，我们是向不同的文件中打印（因为测试向不同的文件中打印成功的话，向显示器，向单个文件中打印一定可以成功）

#include"Com.hpp"
#include"Log.hpp"int main()
{Init init; //创建管道和删除管道Log log;   //日志系统log.Enable(Classfile);  //向不同的文件中打印return 0;
}

然后我们打开信道——这个打开信道和创建管道是不同的，创建管道只是将我们的命名管道文件给创建出来。而我们的打开信道就是打开这个管道文件，并且我们现在写的是服务端，所以打开管道的方式是只读，也就是O_RDONLY；然后报错信息等等都通过日志系统的（）重载打印到日志系统之中。

#include"Com.hpp"
#include"Log.hpp"int main()
{Init init; //创建管道和删除管道Log log;   //日志系统log.Enable(Classfile);  //向不同的文件中打印//打开信道int fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY); //Sever端是读取if (fd < 0){log(Fatal, "error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno);exit(FIFO_OPEN_ERR);}//开始通信log(Info, "server open file done, error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno);log(Waring, "server open file done, error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno);log(Error, "server open file done, error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno);while (true){char buffer[1024];int x = read(fd, buffer, sizeof(buffer));if (x > 0){buffer[x] = 0;cout << "client say#: " << buffer << endl;} else if (x == 0) {log(Fatal, "client quit, me too!!! error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno);break;}else break;}close(fd);return 0;
}

Client端

我们的客户端同样是打开管道文件，同时以写的方式打开。然后我们创建缓冲区，将数据写到缓冲区中，再从缓冲区通过write函数写到文件里面

#include"Com.hpp"
#include"Log.hpp"int main()
{int fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY);if (fd < 0) {perror("open");exit(FIFO_OPEN_ERR);}//cout << "client open file done" << endl;//成功打开客户端string line; //创建缓冲区while (true){cout << "Please Entering#: ";getline(cin, line); //向缓冲去中写入数据write(fd, line.c_str(), line.size());}close(fd);return 0;
}