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UNIX下C语言编程与实践42-UNIX 无名管道：pipe 函数的使用与父子进程单向通信实现

news 2025/10/7 8:58:22

一、无名管道的核心概念

在 UNIX 系统中，无名管道（Unnamed Pipe） 是最古老的进程间通信（IPC）工具之一，主要用于实现有血缘关系进程（如父子进程、兄弟进程）之间的单向数据传输。它具有以下核心特性：

  • 单向通信：管道是半双工（Half-duplex）的，数据只能从一端写入、另一端读取，无法双向同时传输。
  • 文件描述符关联：管道通过两个文件描述符实现操作——读端（fildes[0]）和写端（fildes[1]），进程通过读写这两个描述符完成数据交换。
  • 血缘关系限制：无名管道由父进程创建，子进程通过 fork() 继承管道的文件描述符，因此仅能在有血缘关系的进程间使用，无法用于无关联进程（如两个独立启动的程序）。
  • 字节流特性：管道传输的数据是无结构的字节流，不保留消息边界，读取方需自行处理数据拆分（如约定固定长度或分隔符）。
  • 阻塞特性：当管道为空时，读操作会阻塞；当管道满时，写操作会阻塞，直到有数据被读取或空间被释放。

二、pipe 函数：创建无名管道的核心接口

pipe() 函数是 UNIX 系统中创建无名管道的核心系统调用，它会在进程的文件描述符表中分配两个关联的描述符，分别对应管道的读端和写端。

2.1 函数原型与参数

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

参数说明：

  • fildes[2]：整型数组，用于存储管道的两个文件描述符：
    • fildes[0]：管道的读端，仅用于读取数据（如通过 read() 函数）。
    • fildes[1]：管道的写端，仅用于写入数据（如通过 write() 函数）。

2.2 函数使用步骤

  1. 创建管道：调用 pipe(fildes) 创建无名管道，若返回 -1 则表示创建失败（如系统管道数量达到上限）。
  2. 创建子进程：通过 fork() 创建子进程，子进程会继承父进程的文件描述符表，因此也拥有管道的读端和写端。
  3. 关闭无用端：根据通信方向（如父写子读），父进程关闭读端（close(fildes[0])），子进程关闭写端（close(fildes[1])），避免死锁或资源泄漏。
  4. 数据传输：父进程通过写端写入数据，子进程通过读端读取数据，完成单向通信。
  5. 关闭管道：通信结束后，关闭剩余的文件描述符（如父进程关闭写端，子进程关闭读端）。

三、父子进程单向通信实现：代码实例

下面通过一个完整的 C 语言实例（参考文档中的 pipe1.c），演示父进程向子进程发送数据、子进程读取并打印数据的单向通信流程。

3.1 完整代码实现

代码文件名：pipe_demo.c

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>int main() {int fildes[2];  // 存储管道的读端和写端pid_t pid;      // 子进程 IDchar buf[256];  // 读取数据的缓冲区int read_len;   // 实际读取的字节数// 1. 创建无名管道assert(pipe(fildes) == 0);  // 断言确保管道创建成功，失败则终止程序printf("管道创建成功，读端 fd=%d，写端 fd=%d\n", fildes[0], fildes[1]);// 2. 创建子进程pid = fork();assert(pid != -1);  // 确保 fork 成功if (pid == 0) {// ------------------- 子进程逻辑 -------------------// 3. 子进程仅需读数据，关闭写端（避免资源泄漏和死锁）close(fildes[1]);printf("子进程（PID=%d）：已关闭写端，准备读取数据...\n", getpid());// 4. 从管道读端读取数据（阻塞直到有数据）memset(buf, 0, sizeof(buf));  // 清空缓冲区read_len = read(fildes[0], buf, sizeof(buf));if (read_len > 0) {printf("子进程（PID=%d）：读取到数据，长度=%d 字节\n", getpid(), read_len);printf("子进程（PID=%d）：数据内容：%s\n", getpid(), buf);} else if (read_len == 0) {printf("子进程（PID=%d）：管道写端已关闭，无更多数据\n", getpid());} else {perror("子进程 read 失败");  // 打印错误信息}// 5. 关闭读端，释放资源close(fildes[0]);printf("子进程（PID=%d）：已关闭读端，退出\n", getpid());return 0;} else {// ------------------- 父进程逻辑 -------------------// 3. 父进程仅需写数据，关闭读端（避免资源泄漏和死锁）close(fildes[0]);printf("父进程（PID=%d）：已关闭读端，准备写入数据...\n", getpid());// 4. 向管道写端写入数据const char *send_data = "Hello from Parent! This is a test message.";int write_len = write(fildes[1], send_data, strlen(send_data));if (write_len == strlen(send_data)) {printf("父进程（PID=%d）：数据写入成功，长度=%d 字节\n", getpid(), write_len);} else {perror("父进程 write 失败");}// 5. 关闭写端（子进程会检测到 EOF）close(fildes[1]);printf("父进程（PID=%d）：已关闭写端\n", getpid());// 6. 等待子进程退出，避免僵尸进程wait(NULL);printf("父进程（PID=%d）：子进程已退出，通信完成\n", getpid());return 0;}
}

3.2 编译与运行

在 UNIX/Linux 环境下，通过以下命令编译并运行程序：

# 编译代码
gcc pipe_demo.c -o pipe_demo# 运行程序
./pipe_demo

3.3 预期运行结果

管道创建成功，读端 fd=3，写端 fd=4
父进程（PID=12345）：已关闭读端，准备写入数据...
父进程（PID=12345）：数据写入成功，长度=43 字节
父进程（PID=12345）：已关闭写端
子进程（PID=12346）：已关闭写端，准备读取数据...
子进程（PID=12346）：读取到数据，长度=43 字节
子进程（PID=12346）：数据内容：Hello from Parent! This is a test message.
子进程（PID=12346）：已关闭读端，退出
父进程（PID=12345）：子进程已退出，通信完成

四、无名管道的核心特性深入分析

理解无名管道的特性是正确使用它的关键，以下是对其核心特性的详细解析：

4.1 字节流与无消息边界

管道传输的数据是无结构的字节流，不保留消息的边界。例如，父进程分两次写入数据（如 "Hello!" 和 "World!"），子进程可能一次读取到所有数据（"Hello!World!"），而非分两次读取。

解决方法：若需拆分消息，需在应用层约定规则，如：

  • 固定消息长度（如每次传输 10 字节）；
  • 使用分隔符（如 \n 或 \0）标记消息结束；
  • 先传输消息长度（如 4 字节整数），再传输消息内容。

4.2 半双工与单向通信

管道是半双工的，同一时间只能单向传输数据。若需双向通信，需创建两个管道（如管道 1 用于父写子读，管道 2 用于子写父读）。

4.3 阻塞特性

管道的读写操作默认是阻塞的，具体表现为：

操作触发条件阻塞行为
读操作（read）管道为空，且写端未关闭阻塞，直到有数据写入或写端关闭（此时 read 返回 0）
写操作（write）管道已满，且读端未关闭阻塞，直到有数据被读取（释放空间）或读端关闭（此时 write 失败，返回 -1 并设置 errno=EPIPE）

注意：若读端已关闭，写端继续写入会触发 SIGPIPE 信号，默认导致进程终止。可通过 signal(SIGPIPE, SIG_IGN) 忽略该信号，避免进程意外退出。

4.4 缓冲区大小

UNIX 管道有默认的缓冲区大小（通常为 4KB 或 8KB，取决于系统），当写入数据超过缓冲区大小时，写操作会阻塞，直到部分数据被读取。

查看与修改管道缓冲区大小的方法：

  • 查看默认大小：通过 fcntl() 函数获取：
    #include <fcntl.h>int buf_size = fcntl(fildes[1], F_GETPIPE_SZ);
printf("管道默认缓冲区大小：%d 字节\n", buf_size);
  • 修改缓冲区大小：通过 fcntl() 函数设置（需注意系统限制，不能超过 PIPE_MAX，通常为 65536 字节）：
    int new_size = 16384;  // 16KB
int ret = fcntl(fildes[1], F_SETPIPE_SZ, new_size);
if (ret == new_size) {printf("管道缓冲区大小已设置为 %d 字节\n", new_size);
} else {perror("设置管道缓冲区大小失败");
}

五、使用无名管道的注意事项与常见错误

5.1 关键注意事项

  • 关闭无用的文件描述符：父进程创建管道后，必须关闭读端（若仅写），子进程必须关闭写端（若仅读）。否则会导致：
    • 子进程读操作阻塞（因为父进程未关闭读端，管道始终有“潜在写者”，read 不会返回 0）；
    • 系统资源泄漏（未关闭的文件描述符会一直占用，直到进程退出）。
  • 避免管道破裂（Broken Pipe）：若读端已关闭，写端继续写入会触发 SIGPIPE 信号，需提前忽略该信号或检测写操作返回值。
  • 处理僵尸进程：父进程需通过 wait() 或 waitpid() 等待子进程退出，避免子进程成为僵尸进程。
  • 数据读取完整性：read() 函数可能返回部分数据（即使管道中有更多数据），需循环读取直到获取所有需要的数据。

5.2 常见错误与解决方法

错误现象

可能原因

解决方法

pipe() 返回 -1，errno=EMFILE

进程已打开的文件描述符数量达到上限

1. 关闭无用的文件描述符；2. 通过 ulimit -n 查看/修改进程最大文件描述符数

子进程读操作一直阻塞

父进程未关闭读端，管道始终有“潜在写者”

父进程在写入数据后，立即关闭写端（close(fildes[1])）

写操作返回 -1，errno=EPIPE

读端已关闭，管道破裂

1. 确保读端在写操作期间未关闭；2. 忽略 SIGPIPE 信号（signal(SIGPIPE, SIG_IGN)）

读取的数据不完整

read() 可能返回部分数据，需循环读取

使用循环读取，直到获取所有数据或 read 返回 0（写端关闭）：
int total_read = 0;
while (total_read < expected_len) {int ret = read(fildes[0], buf + total_read, expected_len - total_read);if (ret <= 0) break;total_read += ret;
}

无名管道是 UNIX 系统中实现父子进程单向通信的轻量级工具，核心依赖 pipe() 函数创建的两个文件描述符（读端和写端）。其优势在于实现简单、开销小，适合小规模的父子进程数据传输；但也存在局限性，如仅支持血缘关系进程、半双工通信、无消息边界等。

在实际开发中，需注意关闭无用的文件描述符、处理阻塞特性和数据完整性，并根据需求选择合适的通信方式（如双向通信需创建两个管道，无血缘关系进程需使用有名管道 FIFO 或其他 IPC 工具）。

http://www.dtcms.com/a/450155.html

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