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Linux管道有名管道（FIFO）工作机制全解：从理论到实践

news 来源：原创 2025/6/18 1:14:59

有名管道（重要）

有名管道/命名管道，主要用于没有血缘关系进程间的通信

当然也支持有血缘关系的情况，只是如果有血缘关系，没有必要使用有名管道，无名管道效果更佳

引入

好了，现在使用条件有了，该如何实现呢？

不同进程都有自己的独立空间，那如何将不同进程联系起来呢？

可以通过磁盘内的文件（用于磁盘映射），物理内存，寄存器，数据库，第三方电脑等等，只要是不同进程都可以识别，并不是但属于一个进程的即可。

当然利用不同方式实现肯定是不同的方法，这里主要是带大家一步步地去实现有名管道。

这里我们实现有名管道的方式是借助物理内存。

那么，问题又来了：物理内存是属于底层的，该如何操作物理内存呢？

物理内存偏底层，我们直接操作，我们目前做不到，也不是我们的重点。

我们说过，在Linux一切皆可视为文件，因此在这里我们通过将物理内存抽象为文件名，两个进程通过操作这个文件名，来实现进程间的通信。

因此这时候的物理内存就是一个管道，抽象出来的文件名，也就是有名管道，有名的来源。

这里简单说一下虚拟区别和物理内存的区别

在每个进程开始，系统会为每一个进程分配4GB的虚拟内存空间，这4GB是虚拟的。

而物理内存是切实存在的。

大家可以使用下面这张图来理解

有名管道的概述

特点

半双工，同一时刻只能在一个方向上流动
写入FIFO中的数据遵循先入先出的规则
传送数据无格式，事先必须约定好数据格式，如多少个字节算一个消息等
FIFO在文件系统中作为一个特殊的文件而存在，但是它的实际内存却存放在物理内存
管道在内存中对应一个缓冲区，系统不同其大小也不同
FIFO读取数据是一次性的，数据一旦被读取，就会被FIFO抛弃，释放其空间以存放更多数据
使用FIFO的进程退出后，FIFO文件将继续保存在文件系统中以便于以后使用
FIFO 有名字，不相关的进程可以通过打开命名管道进行通信

有名管道的API

函数介绍

        #include <sys/types.h>

        #include <sys/stat.h>

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

功能介绍

用于有名管道文件的创建（将物理内存抽象为文件）

参数

pathname：FIFO的路径名+文件名

mode：mode_t类型的权限描述符

返回值

成功：返回0

失败：返回-1，并设置errno

代码案例

00_read.c

在我的文件中文件名是 00_Bob.c

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

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //创建有名管道文件
    mkfifo("my_fifo",0666);

    //作为收端，以读的方式打开文件
    //这里因为文件是我们创建的，已知文件一定存在，不需要添加O_CREAT行为标志
    int fd = open("my_fifo",O_RDONLY);
    if(fd == -1)
    {
        perror("open");
        _exit(-1);
    }
    printf("收端已准备就绪\n");

    //读数据
    while(1)
    {
        char buf[128] = "";
        read(fd,buf,sizeof(buf));
        printf("读到的数据为：%s\n",buf);
        if(strcmp(buf,"bye") == 0)
        {
            break;
        }
    }

    //关闭文件
    close(fd);
    unlink("my_fifo");
    return 0;
}

00_write.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    //打开有名管道文件 这里我建议读写端都打开文件，因为我们不知道哪个进程会先打开
    //又由于mkfifo文件重复 会返回-1 因此这里我们不进行打开错误判断
    mkfifo("my_fifo",0666);

    //Lucy负责发 以写的方式打开该文件
    int fd = open("my_fifo",O_WRONLY);
    if(fd == -1)
    {
        perror("open");
        _exit(-1);
    }
    printf("发端准备就绪\n");

    //写入数据
    while(1)
    {
        //手动输入数据
        printf("输入数据：");
        char buf[128] = "";
        fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
        buf[strlen(buf) - 1] = 0;

        write(fd,buf,strlen(buf));

        if(strcmp(buf,"bye") == 0)
        {
            break;
        }
    }

    //关闭文件  
    close(fd);
    unlink("my_fifo");
    return 0;
}

代码运行结果：

在我的文件中文件名是 00_Lucy.c

有名管道的读写特点

1、open 以只读方式打开 FIFO 时，要阻塞到某个进程为写而打开此 FIFO

2、open 以只写方式打开 FIFO 时，要阻塞到某个进程为读而打开此 FIFO。

3、open 以只读、只写方式打开 FIFO 时会阻塞，调用 read 函数从 FIFO 里读数据时 read 也会阻塞。

4、通信过程中若写进程先退出了，则调用 read 函数从 FIFO 里读数据时不阻塞；若写进程又重新运行，则调用 read 函数从 FIFO 里读数据时又恢复阻塞。

5、通信过程中，读进程退出后，写进程向命名管道内写数据时，写进程也会（收到 SIGPIPE 信号）退出。

6、调用 write 函数向 FIFO 里写数据，当缓冲区已满时 write 也会阻塞。

解释

打开通道时，必须读端和写端都要打开

打开后

关闭读端，写端一旦写入，会导致写进程退出

关闭写端，读端可以继续读（此时被阻塞），写端重新运行，读端可以读，但会被阻塞

这里大家可以理解为一个水管，写为进水口，读为出水口

出水口堵住了，再向内灌水，水管就会坏，因此会导致进水口也关闭

进水口堵住了，但是出水口仍可以打开，最差的结果也就是不出水