在Linux系统中，管道（Pipes）是一种强大的进程间通信（IPC）机制。通过管道，多个命令可以串联起来执行，前一个命令的输出作为下一个命令的输入，这种操作常见于Linux命令行中的流水线式操作。然而，管道不仅限于命令行使用，还可在编程中用于进程间通信。管道可以分为两类：匿名管道 和 有名管道（FIFO，First In First Out）。
1. 管道的基本概念
Linux中的管道是操作系统用于在进程之间传递数据的机制。一个进程可以通过管道将其标准输出（stdout）传递给另一个进程作为标准输入（stdin）。这种方法常用于命令行操作，例如：
ls | grep "txt"
这个命令将 ls 命令的输出传递给 grep，从而筛选出包含"txt"的文件。
2. 匿名管道（Anonymous Pipe）
2.1 什么是匿名管道？
匿名管道是最常见的管道类型，通常用于父子进程之间的数据传输。它在创建时只存在于内存中，无法通过文件系统访问。由于其匿名性，匿名管道只能用于具有共同祖先的进程之间，通常由一个进程创建后与其子进程通信。
2.2 使用匿名管道
在编程中，匿名管道通常通过系统调用 pipe() 创建。该函数创建一对文件描述符，一个用于读取数据，另一个用于写入数据。
int pipefd[2]; pipe(pipefd);
pipefd[0] 是管道的读端，pipefd[1] 是写端。父进程可以通过写端向管道发送数据，而子进程则可以通过读端读取这些数据。
示例代码：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {int pipefd[2];pid_t pid;char buffer[100];// 创建匿名管道if (pipe(pipefd) == -1) {perror("pipe");return 1;}pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");return 1;}if (pid == 0) { // 子进程close(pipefd[1]); // 关闭写端read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer)); // 从管道读取数据printf("Child process read: %s\n", buffer);close(pipefd[0]);} else { // 父进程close(pipefd[0]); // 关闭读端write(pipefd[1], "Hello from parent", 17); // 向管道写入数据close(pipefd[1]);}return 0;
}
2.3 特性和限制
- 单向通信：匿名管道只允许单向数据流动，一个进程写入，另一个进程读取。
- 父子进程间通信：匿名管道主要用于具有共同祖先的进程，例如父子进程。
- 进程生命周期：匿名管道的生命周期与创建它的进程相关，进程终止时，管道也随之销毁。
3. 有名管道（Named Pipe, FIFO）
3.1 什么是有名管道？
有名管道（FIFO, First In First Out）是一种存在于文件系统中的管道，它可以在不相关的进程之间实现通信。有名管道通过文件系统的路径名来标识，因而不同的进程只要知道该路径，就可以通过读写该管道文件进行通信。
3.2 创建和使用有名管道
有名管道可以使用 mkfifo 命令或系统调用 mkfifo() 创建。与匿名管道不同，有名管道可以在系统的任何地方被访问，且可以用于完全不相关的进程之间的通信。
创建有名管道
在命令行中，可以通过 mkfifo 命令创建一个有名管道：
mkfifo mypipe
在C语言中，mkfifo() 可以用于创建一个有名管道：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int status = mkfifo("/tmp/myfifo", 0666); // 创建有名管道
3.3 使用有名管道
有名管道可以通过普通的文件I/O操作来使用。一个进程可以打开管道文件进行写操作，而另一个进程可以打开它进行读操作。
命令行中的使用示例：
# 在一个终端中，写入有名管道
echo "Hello, world" > mypipe
# 在另一个终端中，读取管道
cat < mypipe
C语言中的使用示例：
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd;char buffer[100];// 打开有名管道fd = open("/tmp/myfifo", O_RDONLY);read(fd, buffer, sizeof(buffer));printf("Read from FIFO: %s\n", buffer);close(fd);return 0;
}
3.4 特性和限制
- 双向通信：有名管道可以在不相关的进程间实现双向通信，前提是双方都打开了管道的读写端。
- 持久化：有名管道在文件系统中持久存在，直到被手动删除。
- 同步问题：与匿名管道一样，有名管道的数据传输是同步的，读取操作会阻塞，直到写入数据完成。
4. 匿名管道与有名管道的区别
| 特性 | 匿名管道 | 有名管道 |
|---|---|---|
| 通信范围 | 父子进程或兄弟进程间 | 不相关的进程之间 |
| 管道标识 | 不可通过文件系统访问 | 通过路径标识，可持久化 |
| 生命周期 | 进程结束后销毁 | 文件系统中持久存在 |
| 数据传输方向 | 单向 | 可双向（需读写都打开） |
5. 管道的进阶使用
5.1 多进程通信的管道
在复杂的系统中，多个进程之间可以通过多重管道来实现复杂的数据通信。例如，可以创建多个匿名管道来在父进程和多个子进程之间传递数据。
5.2 管道的阻塞与非阻塞模式
默认情况下，管道是阻塞的：写入端没有数据时，读取端会阻塞等待数据，反之亦然。可以通过 fcntl() 函数设置管道为非阻塞模式，从而避免进程阻塞。
5.3 与其他IPC机制结合使用
管道可以与其他进程间通信机制（如共享内存、消息队列等）结合使用，构建更复杂的进程通信模型。例如，使用共享内存处理大量数据，而使用管道来同步各个进程的工作。
6. 小结
Linux管道（包括匿名管道和有名管道）是实现进程间通信的核心工具。匿名管道适用于父子进程之间的快速通信，而有名管道可以跨越不相关的进程，实现更加灵活的通信需求。理解并熟练运用这两种管道，可以帮助开发人员在系统编程中高效实现进程间的数据交互。
7.思考
1. 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端的引用计数等于0），
而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，
再次 read 会返回0，就像读到文件末尾一样。
2. 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端的引用计数大于0），
而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，
那么管道中剩余的数据都被读取后，再次 read 会阻塞，
直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。
考虑到如下代码：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main(void)
{int n;char buff[128];pid_t pid;int fd[2];if(pipe(fd)<0) {perror("pipe");exit(0);}if((pid=fork())<0){perror("fork");exit(0);}if(pid>0){/* parent */ printf("+++++++++++++\n");close(fd[0]); write(fd[1],"hello world",11);//sleep(5);//write(fd[1],"I am a Student",14);printf("+++++++++++++\n");}else{printf("--------------\n");//close(fd[1]);memset(buff,0,128);n = read(fd[0],buff,20);printf("buff=%s\n",buff);memset(buff,0,128);printf("read twice\n");n = read(fd[0],buff,20);printf("buff=%s\n",buff);printf("--------------\n");}return 0;
}父进程关闭了读端口，通过写端口向pipe中写入了hello world。然后父进程结束。关闭相关文件（读写）描述符
子进程在关闭写端口的时候，父进程结束时候，写文件描述符引用计数为0。所以子进程再次读取后返回0。子进程结束退出。
子进程在不关闭写端口的时候，父进程结束时候，写文件描述符引用计数为1（自己的没关闭）。所以子进程再次读取时候陷入阻塞状态。
因为父进程是在SHELL下执行的。所以当父进程结束时候，Shell进程认为命令执行结束了，于是打印Shell提示符，而子进程等待读取输入。
父进程已经结束，不会给他输入数据，而子进程本身只是为了读取而不是向管道写数据。所以子进程一直在后台运行，通过ps命令可以查看到子进程信息。
所以，子进程只用到读端，因而把写端关闭。防止造成子进程做无用功。。。