Linux进程通信——管道

1 匿名管道

1.1 创建匿名管道

1.1.1 pipe

1.2 匿名管道的使用

1.3 内核实现原理

1.3.1 内核数据结构

1.3.2 数据流动过程

1.3.3 阻塞与非阻塞

1.4 管道的五大特性和四种情况

2 命名管道

2.1 创建命名管道

2.1.1 mkfifo

2.2 命名管道的使用

2.3 命名管道的原理

2.4 删除命名管道

2.4.1 unlink

管道是一个非常古老的进程通信的方式。管道允许两个相关进程（通常是父子进程）通过一个单向或双向的数据通道交换数据

管道是一个基于文件系统的一个内存级的单向通信的文件，主要用来进行进程通信（IPC）

（1）管道使用样例

lz@VM-8-15-ubuntu:~/learn$ ls -l | grep pipe

1 匿名管道

匿名管道（Anonymous Pipe）是 Linux 中一种经典的进程间通信（IPC）机制，主要用于父子进程或兄弟进程之间的单向数据通信。其核心特点是内存级高效传输、内核缓冲区管理和半双工通信

1.1 创建匿名管道

1.1.1 pipe

（1）功能

用于创建一个匿名管道（Anonymous Pipe），实现父子进程间的单向通信

（2）函数原型

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);

（3）参数

pipefd[2]：长度为 2 的整型数组，用于返回两个文件描述符：
- pipefd[0]：管道的读端（用于 read()）。
- pipefd[1]：管道的写端（用于 write()）。

（4）返回值

成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno。

1.2 匿名管道的使用

（1）父进程读数据，子进程写数据

#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
// 创建管道
int pipefd[2];
int n=pipe(pipefd);
// 创建子进程
pid_t pid = fork();
// 通信
if(pid == -1)
{
perror("fork");
return 1;
}
else if(pid == 0)
{
// 关闭读端
close(pipefd[0]);
// 子进程
int cnt=1;
while(1)
{
// 写入数据
std::string msg="my child process, pid = ";
msg+=std::to_string(pid);
msg += ", content = ";
msg+=std::to_string(cnt);
cnt++;

// 写入管道
int n = write(pipefd[1],msg.c_str(),msg.size());
sleep(1);
}
}
else
{
// 关闭写端
close(pipefd[1]);
// 父进程
char buff[1024]={0};
while(1)
{
// 读取数据
int n=read(pipefd[0],buff,sizeof(buff)-1);
buff[n]='\\0';
std::cout<<buff<<std::endl;
sleep(1);
}
}
// 等待子进程
pid_t status=waitpid(pid,NULL,0);
return 0;
}

注意事项：

（1）必须关闭未使用的端：

父进程不关闭读端 → 写满管道后 write() 阻塞。
子进程不关闭写端 → 读空管道时 read() 不会返回 EOF（返回0）。

（2）创建管道需要在创建子进程前，才能保证子进程与父进程通信的是同一个管道

（3）管道是字节流，无消息边界

1.3 内核实现原理

1.3.1 内核数据结构

管道在内核中由 pipe_inode_info 管理

struct pipe_inode_info {
struct page *pages[PIPE_DEF_BUFFERS]; // 环形缓冲区（默认16页）
unsigned int head; // 写指针
unsigned int tail; // 读指针
unsigned int readers; // 读端引用计数
unsigned int writers; // 写端引用计数
wait_queue_head_t wait; // 阻塞等待队列
// …
};

1.3.2 数据流动过程

（1）写入数据（write(fd[1], buf, size)）：

检查缓冲区剩余空间，不足则阻塞（除非 O_NONBLOCK）。
数据从用户空间拷贝到内核环形缓冲区。
更新 head 指针，唤醒等待读的进程。

（2）读取数据（read(fd[0], buf, size)）：

检查缓冲区数据量，为空则阻塞（除非 O_NONBLOCK）。
数据从内核缓冲区拷贝到用户空间。
更新 tail 指针，唤醒等待写的进程。

1.3.3 阻塞与非阻塞

（1）阻塞模式（默认）：

读空管道时，read() 阻塞，直到有数据或写端关闭。
写满管道时，write() 阻塞，直到有空间。

（2）非阻塞模式

fcntl(pipefd[0], F_SETFL, O_NONBLOCK); // 读端非阻塞
fcntl(pipefd[1], F_SETFL, O_NONBLOCK); // 写端非阻塞

读空管道时，read() 返回 -1，errno=EAGAIN。
写满管道时，write() 返回 -1，errno=EAGAIN。

1.4 管道的五大特性和四种情况

（1）五大特性

常用于具有血缘关系的进程进行PIC
单向通信
匿名管道的生命周期随进程
匿名管道是面向字节流的
管道自带同步机制

（2）四种情况

写端不关，写端不写——管道里没有数据，读端就会处于阻塞状态
读端不关，读端不读——写端写满管道，就不会进行写入
写端不写，写端关闭——读端不会读到数据，read的返回值为0表示已经读到文件结尾
写端写入，读端关闭——操作系统会自动结束写端进程

2 命名管道

命名管道（Named Pipe，也称为
FIFO
，即
First In First Out
）是 Linux 中一种进程间通信（IPC, Inter-Process Communication）的方式。

它类似于匿名管道（
|
）

匿名管道只能在父子进程或相关进程之间使用。
命名管道通过文件系统中的一个特殊文件（FIFO 文件）进行通信，允许无关联的进程进行数据交换。

FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯⼀的区别在它们创建与打开的⽅式不同，⼀但这些⼯作完成之后，
它们具有相同的语义。命名管道主要解决毫无关系的进程之间，进行文件级进程通信

2.1 创建命名管道

（1）命令行创建

// 使用 mkfifo 命令创建 FIFO 文件
mkfifo mypipe
// 使用 mkfifo 命令创建 FIFO 文件，指定权限（如 660）
mkfifo -m 660 mypipe

2.1.1 mkfifo

（1）功能

mkfifo 用于创建一个 FIFO（命名管道），它是一种特殊的文件类型，允许不同进程通过文件系统进行通信。FIFO 遵循先进先出（First In First Out）原则。

（2）函数原型

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

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

（3）参数

pathname : 创建的有名管道的名字
mode : 创建文件的权限

（4）返回值

成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno。

2.2 命名管道的使用

命名管道的使用本质就是对一个打开的文件进行操作

示例一：⽤命名管道实现 server（服务端） & client（客户端）通信

有名管道的学习代码，使用有名管道简单的实现服务端和客户端的进程通信 · d2c9787 · lv-zhuo/AsCent – Gitee.com

2.3 命名管道的原理

（1）FIFO 是一种特殊的文件类型，但不存储实际数据，仅作为数据通道。

（2）写入端 (>) 和读取端 (<) 必须同时存在，否则：

如果只有写入端，写入操作会阻塞，直到有进程读取。
如果只有读取端，读取操作会阻塞，直到有进程写入。

2.4 删除命名管道

（1）命令行删除

FIFO 文件只是普通文件，可以用 rm 删除

rm mkpipe

2.4.1 unlink

（1）功能

mkfifo 用于在当前目录下删除一个指定名字的文件

（2）函数原型

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int unlink(const char *pathname);

（3）参数

pathname : 删除文件的名字

（4）返回值

成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno。