Linux学习日记12：无名通道与有名通道

一、前言

        之前我们学习了Linux进程的相关知识，了解了什么是进程以及进程控制相关的内容，今天我们来学习进程间通信其中的两种基础方式——无名通道与有名通道。

二、IPC简介

        IPC 是进程间通信的缩写，它是指多个进程之间进行数据交换和同步的机制。由于每个进程都有自己独立的虚拟地址空间，一个进程通常无法直接访问另一个进程的数据，因此操作系统必须提供专门的机制来 facilitated 这种通信。比如：数据交换： A 进程采集的传感器数据传给 B 进程处理；操作同步： A 进程完成任务后，通知 B 进程开始工作；资源共享：比如多个进程共用一块内存区域，提高效率。

三、无名管道—— 最简单的 “单向通道”

3.1、简介

        在 Linux 操作系统中，无名管道（Unnamed Pipe） 是最基础、最古老的进程间通信（IPC）机制之一，主要用于解决具有亲缘关系的进程（如父子进程、兄弟进程）之间的单向数据传递问题。它的设计简单直接，是理解 Linux 进程通信的基础。

3.2、本质与创建

        无名管道本质是内核中的一段临时缓冲区（环形队列），由内核管理，没有对应的文件系统路径（因此称为 “无名”）。进程通过文件描述符操作这段缓冲区，实现数据读写。如下图所示：

        

        创建方式： pipe（）系统调用：

        通过pipe（）函数创建无名管道，函数原型如下：

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);

        其中参数pipefd是一个长度为 2 的数组，用于存储管道的两个文件描述符：

        pipefd[0]：管道的读端（只能读取数据）；

        pipefd[1]：管道的写端（只能写入数据）；

        返回值：成功返回 0，失败返回 - 1。

3.3、无名通道的特点

1、半双工通信：数据只能单向流动：写端写入的数据，只能从读端读取，无法双向同时传输。若需双向通信，需创建两个无名管道（一个负责 A→B，一个负责 B→A）。

2、亲缘关系限制：仅能在有共同祖先的进程（如父子、兄弟、祖孙进程）间使用。原因是：管道创建后，只有通过fork（）复制文件描述符，才能让子进程继承管道的读写端（非亲缘进程无法获取管道的文件描述符）。

3、生命周期与进程绑定：无名管道随创建它的进程（及子进程）的退出而自动释放，没有持久化存储（不占用磁盘空间，仅存在于内存中）。

4、字节流传输：管道中的数据是无结构的字节流（类似文件），没有 “消息边界”。读取时需应用程序自行处理数据拆分（例如约定换行符为分隔符）。

5、有限缓冲区：管道的内核缓冲区大小固定（通常为 4KB，可通过fcntl（）或ulimit（）查看或者调整）。若缓冲区满，写操作会阻塞；若缓冲区空，读操作会阻塞（除非设置非阻塞模式）。

6、读写端的依赖关系：执行读操作时，如果缓存区有数据的话，正常读，并返回读出的字节数；如果缓存区没有数据（写端被全部关闭），读端读取时会返回 0（类似读到文件末尾EOF）；如果没有全部关闭（如写操作停止两秒再写），读端会阻塞两秒后再读。执行写操作时，如果读端全部关闭，则管道会破裂，进程会被终止（内核给当前进程发送信号SIGPIPE-13，默认处理动作），如果读端没全部关闭，会有两种情况：一种是缓冲区写满了，另一种是缓冲区没写满，前者会使写段阻塞，后者会让写段继续写，直到写满阻塞。

3.4、工作流程

1、父进程调用pipe（）创建管道，得到 pipefd[0]（读）和 pipefd[1]（写）；

2、父进程调用fork（）创建子进程，子进程继承这两个文件描述符；

3、双方关闭不需要的端口（例如父进程写、子进程读，则父进程关闭pipefd[0]，子进程关闭 pipefd[1]）；

4、父进程通过write( pipefd[1],  data，len)写入数据；

5、子进程通过read(pipefd[0], buf, len)读取数据；

6、通信结束后，双方关闭剩余的文件描述符。

3.5、典型示例

        首先创建一个pipe.c文件：

        然后输入以下代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int gd;int fd[2];gd = pipe(fd);if(gd == -1){printf("creat pipe failed!\n");exit(1);}printf("pipe1 is %d\n",fd[0]);printf("pipe2 is %d\n",fd[1]);close(fd[0]);close(fd[1]);return 0;
}

        这样我们就创建好了一个基本的无名管道了，编译并运行，结果如下：

        可以看到我们将读端和写端都打印了出来，分别为3和4，那为什么会是3和4呢？

        是因为Linux 进程启动时，会自动打开三个标准文件描述符：

        当调用pipe（fd） 创建无名管道时，内核会为管道的读端（fd[0]）和写端（fd[1]）分配最小的、未被使用的文件描述符。在上述程序中这三个默认描述符（0、1、2）已经被占用，因此内核会分配下一个可用的描述符：读端（fd[0]）被分到3，写端（fd[1]）被分到4。

        接着我们无名管道实现一个经典案例：ps aux | grep "bash"：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int gd;int fd[2];gd = pipe(fd);if(gd == -1){printf("creat pipe failed!\n");exit(1);}pid_t pid = fork();//ps auxif(pid > 0){close(fd[0]);//关闭读端dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);//重定向到输出端execlp("ps","ps","aux",NULL);//执行程序}//grep "bash"if(pid == 0){close(fd[1]);//关闭写端dup2(fd[0],STDIN_FILENO);//重定向到输入端execlp("grep","grep","bash","--color=auto",NULL);//执行程序}printf("pipe1 is %d\n",fd[0]);printf("pipe2 is %d\n",fd[1]);close(fd[0]);close(fd[1]);return 0;
}

        使用gcc编译器进行编译，然后运行：

        可以看到成功执行了ps aux | grep "bash"这个进程。

        补：当执行ps aux | grep "bash"时，Shell 进程（父进程）会先fork（）出两个子进程——ps和grep，这两个子进程互为兄弟，它们继承了 Shell 创建的无名管道，从而实现数据传递（ps的输出通过管道传给grep）。

        同时我们可以使用ulimit和fpathconf指令来查看管道缓冲区大小：

        可以看到管道（pipe）的缓冲区大小为512×8=4KB。

         然后使用fpathconf来进行查看：                可以看到也查看到管道（pipe）的缓冲区大小为4096个字节。

四、有名管道

        在 Linux 操作系统中，有名管道（FIFO）是一种进程间通信（IPC）机制，它通过文件系统中的路径名来标识，突破了无名管道的 “亲缘进程限制”，允许任意进程（无论是否有亲缘关系） 进行通信。

4.1、有名管道的本质与创建

        本质：有名管道是一种特殊的文件（在文件系统中可见，类型为p），但它并不存储数据，仅作为进程间通信的 “标识和通道”，数据仍在内存的管道缓冲区中传递。

        创建方式：

1、命令行工具：mkfifo

        格式：mkfifo[选项]管道路径

        示例：创建一个名为/usr/bin/mkfifo的有名管道：

mkfifo /usr/bin/myfifo

2、C语言函数：mkfifo（）

头文件：#include <sys/stat.h>
函数原型：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

        pathname：管道的文件系统路径（如"/usr/bin/mkfifo"）；mode：管道的权限（如0666表示所有用户可读写）；返回值：成功返回0，失败返回-1。

4.2、有名管道的核心特点

1、无亲缘关系限制：只要进程能通过文件路径访问有名管道，即可通信（如不同用户的进程、系统服务与应用程序等）。

2、半双工通信：数据只能单向流动，若需双向通信，需创建两个有名管道（一个用于 A→B，一个用于 B→A）。

3、文件系统可见性：有名管道以文件（伪文件）形式存在于文件系统中（可通过ls -l 查看，类型为p），但不占用磁盘空间（数据在内存中）。

4、打开时的阻塞特性：读阻塞：当一个进程以读模式打开 FIFO 时，它会阻塞，直到有另一个进程以写模式打开同一个 FIFO。同样，如果读取时管道内没有数据，读进程也会阻塞，直到有数据写入；写阻塞：当一个进程以写模式打开 FIFO 时，它会阻塞，直到有另一个进程以读模式打开同一个 FIFO。这种阻塞行为是一种天然的进程同步机制。可以使用 O_NONBLOCK 标志在open时设置为非阻塞模式，并处理EAGAIN错误。

5、生命周期与文件系统绑定：有名管道的生命周期由文件系统管理，除非显式删除（如rm /usr/bin/mkfifo），否则会一直存在于文件系统中。

4.3、工作流程

1、先创建有名通道：命令行工具和函数均可；

2、启动读进程（会阻塞，等待写进程）：./reader；

3、另开终端，启动写进程：./writer；

4、读进程会输出：read：字符串；写进程输出：write：字符串；

4.4、有名管道和无名管道的对比

维度	有名管道（FIFO）	无名管道（Pipe）
标识方式	文件系统路径（如/tmp/myfifo）	无文件名，仅通过文件描述符标识
亲缘关系限制	无（任意进程可通过路径访问）	有（仅亲缘进程，如父子、兄弟进程）
生命周期	与文件系统绑定（需手动删除）	与创建它的进程生命周期绑定（进程退出则销毁）
创建方式	mkfifo命令或mkfifo()函数	pipe()函数
典型场景	无亲缘关系的进程通信、服务 - 客户端交互	父子进程间的简单数据传递

4.5、典型示例

        首先我们先创建一个mkfifo.c文件：

        然后输入以下代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{int ret;ret = mkfifo("/home/liang/myfifo",0777);if(ret == -1){perror("mkfifo failed:");printf("creat failed!\n");return -1;}printf("creat succeed!\n");

        使用gcc编译器进行编译，然后运行：

       可以看到运行成功，我们再次使用 ls -l 查看该文件的权限：

        可以看到该文件类型为p，和其他文件不一样。

        注：如果再次运行mkfifo.c文件，管道会创造失败，因为mkfifo函数的规则是：如果指定路径已经存在同名文件（无论是否是有名管道），再次调用mkfifo会直接返回 - 1（创建失败），如下图所示：

        然后创建一个读进程：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{int ret;int fd;int nread;char readbuf[50]={0};ret = mkfifo("/home/liang/myfifo",0777);if(ret == -1){perror("mkfifo failed:");printf("creat failed!\n");return -1;}printf("creat succeed!\n");fd = open("/home/liang/myfifo",O_RDONLY);if(fd == -1){printf("open failed!\n");return -2;}printf("open succeed!\n");nread = read(fd,readbuf,50);printf("read %d byte from fifo %s\n",nread,readbuf);close(fd);return 0;
}

        使用gcc编译器进行编译，然后运行：

        我们发现读端并没有读到数据，因为并没有写数据，所以目前是阻塞的，然后我们再创建一个写进程：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main()
{int fd;char writebuf[50]={"hello world!"};fd = open("/home/liang/myfifo", O_WRONLY);if(fd == -1){printf("open failed!\n");return -1;}printf("open succeed!\n");write(fd,writebuf,strlen(writebuf));close(fd);return 0;
}

        接着打开两个终端，依次启动读进程和写进程：

        打开读进程后因为没有数据写入，目前处于阻塞状态：

        接着执行写进程后，读进程收到数据，读取所收到的数据并打印了出来。