Linux进程通信之管道机制全面解析

在多进程编程中，不同进程之间经常需要相互通信。例如，父子进程之间交换数据、一个进程将计算结果传递给另一个进程等。为了实现这些需求，操作系统提供了多种进程间通信（IPC, Inter-Process Communication）机制，其中最基础也最常用的一种就是——管道（Pipe）通信。

一、什么是管道通信

管道（Pipe）通信是通过内核提供的一段缓冲区实现的数据通道，一个进程可以将数据写入管道，另一个进程从管道中读取数据，实现数据的传输。管道是半双工的，即数据只能沿一个方向流动，如果需要双向通信，需要建立两个管道。

二、管道的分类

1. 无名管道（Anonymous Pipe）

适用于父子进程通信，通过 pipe() 创建，不需要文件路径。
代码示例（父进程写，子进程读）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>int main() {int fd[2];pid_t pid;char buffer[128];// 创建无名管道if (pipe(fd) == -1) {perror("pipe");exit(EXIT_FAILURE);}pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork");exit(EXIT_FAILURE);}else if (pid == 0) {// 子进程：读close(fd[1]);  // 关闭写端int n = read(fd[0], buffer, sizeof(buffer));buffer[n] = '\0';printf("子进程收到：%s\n", buffer);close(fd[0]);}else {// 父进程：写close(fd[0]);  // 关闭读端const char *msg = "来自父进程的消息";write(fd[1], msg, strlen(msg));close(fd[1]);wait(NULL);  // 等待子进程结束}return 0;
}

2、有名管道（named pipe / FIFO）

适用于无亲缘关系的进程之间通信，使用文件系统中的一个路径，通过 mkfifo() 创建。

2.1 创建FIFO文件

mkfifo /tmp/myfifo

2.2 写入进程（终端 1）写数据到管道

// writer.c
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {int fd = open("/tmp/myfifo", O_WRONLY);const char *msg = "你好，来自写入进程";write(fd, msg, strlen(msg));close(fd);return 0;
}

编译并运行：

gcc writer.c -o writer
./writer

2.3读取进程（终端 2）从管道读取数据

// reader.c
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main() {char buffer[128];int fd = open("/tmp/myfifo", O_RDONLY);int n = read(fd, buffer, sizeof(buffer));buffer[n] = '\0';printf("读取进程收到：%s\n", buffer);close(fd);return 0;
}

编译并运行：

gcc reader.c -o reader
./reader

运行顺序：先运行 reader，再运行 writer，否则 writer 会阻塞等待读者出现。

tips

肯定会有人有疑问，mkfifo和touch的区别是什么？
区别如下：

项目	mkfifo	touch
创建的文件类型	有名管道（FIFO）	普通文件（regular file）
文件用途	进程间通信（IPC）用的特殊文件	存储数据、代码、文本等
存储行为	在内存中，不保存数据，只用于传输、读取后消失	在硬盘中，可永久存储数据
文件类型标识（ls -l）	以 p 开头，如 prw-r--r--	以 - 开头，如 -rw-r--r--
文件命令识别（file）	fifo (named pipe)	empty 或 ASCII text 等
数据传输方式	流式、顺序、进程之间传递	任意读写、可 seek 定位
阻塞特性	有阻塞：写/读端未打开会阻塞	无阻塞，普通 I/O 行为
示例使用场景	多个进程间通信（如生产者/消费者）	创建空文件、日志、代码文件等

三、管道的工作机制

管道在内核中实现了一个循环缓冲区，包括两个文件描述符：

• 读端（fd[0]）：从中读取数据。
• 写端（fd[1]）：向其中写入数据。

当写入数据时，它会被写入管道的内核缓冲区；读取时，数据从缓冲区中被读取并移除。以下是关键行为：

情况	说明
写端关闭，读端读取	读到 EOF，返回 0
读端关闭，写端继续写入	系统发送 SIGPIPE 信号，程序异常终止
缓冲区已满，继续写入	写操作会阻塞，直到缓冲区有空间
缓冲区为空，继续读取	读操作会阻塞，直到有数据可读

四、优点与缺点

优点：

• 简单高效，适合小量数据传递。
• 操作系统原生支持，性能开销小。
• 可用于父子进程之间快速构建通信通道。

缺点：

• 半双工通信（只能一个方向），若需双向需开两个管道。
• 无名管道仅适用于有亲缘关系的进程。
• 数据是字节流，没有结构化管理。
• 容量有限，适合传递小数据。

五、总结

管道是一种进程间通信（IPC）机制，用于在进程之间传递数据。它通过内核缓冲区实现数据的单向流动。

特性	无名管道	有名管道（FIFO）
是否具文件名	否	是（路径）
使用函数	pipe()	mkfifo() + open()
是否跨进程关系	否（需要亲缘关系）	是
使用难度	较低	稍高
使用场景	父子进程通信	任意进程间通信