Linux系统：管道通信

---

前言

在 Linux 系统中，管道（pipe）是一种最基础的进程间通信方式，它就像一根虚拟的通道，让一个进程写入的数据能够被另一个进程读取。借助管道，不同的进程可以协同工作，实现数据的传递与共享。这种机制不仅在命令行中被广泛使用（例如 ls | grep txt），也是理解 Linux 通信原理和系统编程的重要起点。

---

一，管道是什么？

管道是连接两个进程的桥梁，它允许一个进程把数据传递给另一个进程，从而实现进程间的通信。

二，匿名管道

匿名管道就是通过 pipe() 创建的“临时通道”，只能在相关进程之间使用，不能像命名管道那样跨无关进程访问。
pipe()在unistd.h头文件下

#include<unistd.h>
int pipe(fd[2]);
//fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
//返回值:成功返回0，失败返回错误代码

演示代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>int main()
{int fds[2];char buf[100];int len;if(pipe(fds)==-1){perror("make pipe");exit(1);}printf("%d and %d\n", fds[0], fds[1]);while(fgets(buf,100,stdin)){len = strlen(buf);if(write(fds[1],buf,len)!=len){perror("write to pipe");break;}memset(buf,0x00,sizeof(buf));if((len=read(fds[0],buf,100))==-1){perror("read from pipe");break;}if(write(1,buf,len)!=len){perror("write to stdout");break;}}
}

演示结果

root@hcss-ecs-f59a:/gch/code/HaoHao/day12# ./exe1
3 and 4
Please input some text:
helloworld
read from stdin:
helloworld

2-1 父子进程&匿名管道

一般来讲匿名管道通常使用在有亲属关系的进程中，也就是子进程和父进程，子进程会继承父进程的文件描述符表，那么当父进程pipe创建两个文件描述符读和写，子进程也会继承下来，一个进程关闭写端，一个进程关闭读端就实现了进程间的单向通信。

演示代码

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#define ERR_EXIT(m)\
do\
{\perror(m);\exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)
int main(int argc,char*argv[])
{int pipefd[2];if(pipe(pipefd) == -1)ERR_EXIT("pipe error");pid_t pid;pid =fork();if(pid == -1){ERR_EXIT("fork error");}if(pid == 0){close(pipefd[0]);write(pipefd[1],"hello",5);close(pipefd[1]);exit(EXIT_SUCCESS);}close(pipefd[1]);char buf[10]={0};read(pipefd[0],buf,10);printf("buf=%s\n",buf);return 0;
}

演示结果

gch@hcss-ecs-f59a:/gch/code/HaoHao/day12$ ./exe
buf=hello

2-2管道读写规则

• 当没有数据可读时（管道为空）
  • O_NONBLOCK disable（默认阻塞 I/O）
  • read 会阻塞，进程停在 read 调用那里，直到有数据写入管道才能继续→ 典型的生产者-消费者模型：消费者在等生产者。
  • O_NONBLOCK enable（非阻塞 I/O）
  • read 直接返回 -1，并把 errno 设置为 EAGAIN，告诉你“现在没有数据，稍后再试”→ 适合做 轮询/异步 I/O。
• 当管道满的时候（Linux 管道有大小限制，通常是 64 KB 左右）
  • O_NONBLOCK disable（默认阻塞 I/O）
  • write 会阻塞，进程停在 write 调用那里，直到有数据被读走腾出空间→ 防止数据丢失。
  • O_NONBLOCK enable（非阻塞 I/O)
  • write 直接返回 -1，并把 errno 设置为 EAGAIN，表示“写不进去，等会再试”。
• 管道的写端都关闭了
  • 如果所有 写端 关闭了，再去 read：
  • read 返回 0（表现得像读到文件结尾 EOF）→ 这时读端知道“再也不会有数据了”
• 管道的读端都关闭了
  • 如果所有 读端 关闭了，再去 write：
  • 内核会给写进程发一个 SIGPIPE 信号，默认行为是终止进程。即使程序捕获信号继续执行，write 也会返回 -1，errno=EPIPE。→ 这是防止“没人收数据还拼命写”导致浪费内存

2-3管道的特点

• 管道只能用在有“亲戚关系”的进程之间，比如一个进程先建好管道，再用fork创建子进程，这样父子进程之间就能通过管道来通信。

• 管道就像水流一样，数据是连续流动的。

• 一般来说，进程一旦退出，管道也就自动释放了，所以它的寿命跟进程绑定。

• 管道的读写由内核负责协调，保证不会乱套。

• 管道是半双工的，也就是说数据只能单向传输；如果要实现双方都能说话，就得建两个管道。

三，命名管道

• 匿名管道有个限制：它只能用在有“血缘关系”的进程之间通信。比如一个进程先创建管道，再通过 fork 生成子进程，这样父子进程就能借助这个匿名管道来传数据。
• 但如果两个进程之间没有父子关系（比如两个完全独立启动的程序），匿名管道就帮不上忙了。这时就需要用到 命名管道（FIFO）
• 命名管道跟匿名管道的本质差不多，区别在于它有个名字（路径），存在于文件系统里。只要两个进程都知道这个路径，就能通过它来读写数据。这样即使它们没有任何“亲缘关系”，也能顺利通信。

3-1 创建命名管道

创建命名管道有两种方式，一种是函数创建，一种是命令创建

mkfifo filename

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

演示代码

#include<sys/stat.h>
int main()
{mkfifo("p2",664);return 0;
}

演示结果

root@hcss-ecs-f59a:/gch/code/HaoHao/day12# ll
total 44
drwxrwxr-x  2 gch  gch   4096 Aug 19 15:57 ./
drwxrwxrwx 14 root root  4096 Aug 19 09:53 ../
-rwxr-xr-x  1 root root 16696 Aug 19 15:57 exe*
-rw-rw-r--  1 gch  gch     54 Aug 19 15:51 makefile
p-w---x--T  1 root root     0 Aug 19 15:57 p2|
-rwxrwxrwx  1 root root    71 Aug 19 15:57 text.c*

这里的这个p2就是我们运行程序创建的管道文件

3-2匿名管道和命名管道的区别

• 匿名管道：通过 pipe() 函数直接创建并打开。
• 命名管道：需要先用 mkfifo() 创建一个特殊文件，然后再通过 open() 打开使用。
• 它们的本质区别只在于==“创建和打开”的方式不同==。一旦这一步完成，后续的读写语义和使用方式基本是一样的。

3-3命名管道的打开规则

• 以读方式打开 FIFO
  • 如果没有设置 O_NONBLOCK（阻塞模式）：会一直等待，直到有另一个进程以写方式打开该 FIFO。
  • 如果设置了 O_NONBLOCK（非阻塞模式）：立即返回成功，即使还没有写端。
• 以写方式打开 FIFO
  • 如果没有设置 O_NONBLOCK（阻塞模式）：会一直等待，直到有进程以读方式打开该 FIFO。
  • 如果设置了 O_NONBLOCK（非阻塞模式）：会立刻返回失败，并设置 errno = ENXIO，表示没有可用的读端。

演示代码

clientPipe.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#define ERR_EXIT(m)\
do\
{ \perror(m);\exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)
int main()
{int wfd = open("mypipe",O_WRONLY);if(wfd<0){ERR_EXIT("open");}char buf[1024];while(1){buf[0]=0;printf("please Enter#");fflush(stdout);ssize_t s= read(0,buf,sizeof(buf)-1);if(s>0){buf[s]=0;write(wfd,buf,strlen(buf));}else if(s<=0){ERR_EXIT("read");}}close(wfd);return 0;
}

serverPipe.c

#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#define ERR_EXIT(m)\
do\
{\perror(m);\exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0);
int main()
{umask(0);if(mkfifo("mypipe",0664)<0){ERR_EXIT("mkfifo");}int rfd = open("mypipe",O_RDONLY);if(rfd<0){ERR_EXIT("open");}char buf[1024];while(1){buf[0]=0;printf("please wait...\n");ssize_t s = read(rfd,buf,sizeof(buf));if(s>0){buf[s-1]=0;printf("client say#%s\n",buf);}else if(s==0){printf("client quit,exit now!\n");exit(EXIT_SUCCESS);}else{ERR_EXIT("read");}}close(rfd);return 0;
}

makefile

.PHONY:all
all: clientPipe serverPipe 
clientPipe:clientPipe.cgcc -o $@ $^
serverPipe:serverPipe.cgcc -o $@ $^ 
.PHONY:clean
clean:rm -f clientPipe serverPipe

演示结果:
进程一

root@hcss-ecs-f59a:/gch/code/HaoHao/day13# ./clientPipe
please Enter#hello,world

进程二

root@hcss-ecs-f59a:/gch/code/HaoHao/day13# ./serverPipe
please wait...
client say#hello,world

当我用完后可以使用==unlink(“./log.txt”);==关闭管道