Linux进程间通信：无名管道与有名管道的原理与实践

Linux进程间通信：无名管道与有名管道的原理与实践

一、引言：为什么需要进程间通信（IPC）？
在多任务操作系统中，进程间通信（IPC）是实现协作的核心机制。例如：

• 场景1：Shell命令ls | grep .txt中，ls进程的输出需要传递给grep进程处理。
• 场景2：两个独立进程（如聊天程序的客户端和服务端）需要交换数据。

管道的本质：一种基于文件描述符的通信方式，实现数据流动的“桥梁”。
核心分类：无名管道（匿名管道）与有名管道（命名管道）。

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二、无名管道（Anonymous Pipe）：父子进程的私有通道

1. 无名管道的特性

• 半双工通信：数据单向流动，需明确读写端（类似单行道）。
• 血缘关系限制：仅用于父子或兄弟进程（通过fork创建）。
• 生命周期绑定：随创建进程终止自动销毁。
• 内置缓冲区：默认4KB容量，数据暂存后按序读取。

2. 创建与使用：pipe()函数详解

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);  
// 成功返回0，失败返回-1并设置errno  

• 参数解析：

  • pipefd[0]：读端文件描述符（只能读取数据）。
  • pipefd[1]：写端文件描述符（只能写入数据）。

• 代码示例：父子进程通信

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
 
int main() {
    int pipefd[2];
    char buf[100];
    
    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        return 1;
    }
 
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {  // 子进程：读取数据 
        close(pipefd[1]);  // 关闭写端 
        read(pipefd[0], buf, sizeof(buf));
        printf("Child received: %s\n", buf);
        close(pipefd[0]);
    } else {  // 父进程：写入数据 
        close(pipefd[0]);  // 关闭读端 
        const char *msg = "Hello from parent!";
        write(pipefd[1], msg, strlen(msg) + 1);
        close(pipefd[1]);
    }
    return 0;
}

3. 无名管道的读写行为
   | 操作 | 条件 | 结果 |
   |----------|------------------------|-----------------------------------------|
   | 读 | 管道有数据 | 返回实际读取的字节数 |
   | | 管道无数据且写端关闭 | 返回0（类似文件结束符EOF） |
   | | 管道无数据且写端未关闭 | 阻塞等待 |
   | 写 | 读端全部关闭 | 触发SIGPIPE信号，默认终止进程 |
   | | 管道未满 | 写入数据并返回字节数 |
   | | 管道已满 | 阻塞直到有空间 |

关键点：

• 缓冲区大小：可通过fcntl(fd, F_SETPIPE_SZ, size)修改（上限64KB）。
• 原子性写入：若写入数据量≤PIPE_BUF（通常4KB），保证原子性（数据不分割）。

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三、有名管道（Named Pipe / FIFO）：跨进程的公共通道

1. 有名管道的核心优势

• 文件系统可见性：以特殊文件形式存在（如/tmp/my_fifo），支持任意进程通信。
• 权限控制：通过mkfifo指定访问权限（如0666）。
• 持久性：除非手动删除，否则一直存在。

2. 创建与使用：mkfifo()函数解析

#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);  
// 成功返回0，失败返回-1并设置errno  

• 参数说明：
  • pathname：FIFO文件路径（如/tmp/chat_fifo）。
  • mode：权限模式（需考虑umask，实际权限为mode & ~umask）。

3. 读写行为与阻塞机制
   | 操作 | 阻塞模式（默认） | 非阻塞模式（O_NONBLOCK） |
   |----------|-----------------------------|-------------------------------------|
   | 读 | 管道空时阻塞 | 立即返回-1，设置errno=EAGAIN |
   | 写 | 管道满时阻塞 | 立即返回-1（部分写入可能成功） |

代码示例：双向通信实现

• 步骤1：创建两个FIFO文件（fifo1和fifo2）。
• 进程A：

  int fd1 = open("fifo1", O_WRONLY);
  int fd2 = open("fifo2", O_RDONLY);
  write(fd1, data, size);
  read(fd2, buf, size);
  

• 进程B：

  int fd1 = open("fifo1", O_RDONLY);
  int fd2 = open("fifo2", O_WRONLY);
  read(fd1, buf, size);
  write(fd2, data, size);
  

4. 实战案例：聊天程序原型

// 写进程（发送消息）
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
 
int main() {
    const char *fifo_path = "/tmp/chat_fifo";
    int fd = open(fifo_path, O_WRONLY);
    char msg[100];
    while (1) {
        printf("You: ");
        fgets(msg, sizeof(msg), stdin);
        write(fd, msg, strlen(msg) + 1);
    }
    close(fd);
    return 0;
}
 
// 读进程（接收消息）
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
 
int main() {
    const char *fifo_path = "/tmp/chat_fifo";
    int fd = open(fifo_path, O_RDONLY);
    char buf[100];
    while (1) {
        if (read(fd, buf, sizeof(buf)) > 0) {
            printf("Received: %s", buf);
        }
    }
    close(fd);
    return 0;
}

运行步骤：

1. 创建FIFO：mkfifo /tmp/chat_fifo
2. 终端1运行读进程：./reader
3. 终端2运行写进程：./writer

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四、无名管道 vs 有名管道：对比与选型

特性	无名管道	有名管道
创建方式	pipe()	mkfifo()
可见性	仅内核可见	文件系统可见
进程关系	需有血缘关系	任意进程
生命周期	随进程终止销毁	手动删除或系统重启
典型应用	Shell管道、进程间临时通信	持久化通信、独立进程协作

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五、常见问题与调试技巧

1. 错误：open: No such device or address

   • 原因：未先创建FIFO文件。
   • 解决：确保调用mkfifo()或手动创建。

2. 错误：write: Broken pipe

   • 原因：读端关闭时继续写入。
   • 解决：捕获SIGPIPE信号或检查errno。

3. 非阻塞模式下的竞态条件

   • 建议：使用select()或poll()监控多个FIFO。

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