【Linux】Linux管道揭秘：匿名管道如何连接进程世界

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文章目录

1.什么是管道？
2. 管道的类型
- 2.1 匿名管道
- - 2.1.1 介绍pipe()
  - 2.1.2 pipe()简单示例：父子进程通过管道通信
  - 2.1.3 管道的4种情况与5种特性
  - 2.1.4 匿名管道原理
  - 2.1.5 用fork来共享管道的原理
  - 2.1.6 站在文件描述符角度-深度理解管道
  - 2.1.7 站在内核角度-管道的本质
3. 匿名管道总结

1.什么是管道？

管道（Pipe）是一种常见的进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）机制，在 Unix/Linux 系统中尤其重要。它允许一个进程的输出直接作为另一个进程的输入，而不需要使用中间文件。管道通常用于将多个命令连接起来，让它们像流水线一样处理数据。
管道在 Unix/Linux 系统中提供了一种简便的机制，允许数据在不同进程之间传递。它提供了一个缓冲区，数据写入管道的一端（写端），然后可以从另一端（读端）读取。管道的本质是一种半双工的通信机制，即数据只能沿一个方向流动。
提问：有没有一些直观的管道的利用？
当然。其实早在Linux的指令学习中，我们就已经接触到了管道。就是这个符号|。

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/pipeTest$ ls -l
total 24
-rwxrwxr-x 1 ubuntu ubuntu 16576 Nov  5 11:41 a.out
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu  1285 Nov  5 11:40 pipeTest1.c
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/pipeTest$ ls -l|grep "pipeTest1.c"
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu  1285 Nov  5 11:40 pipeTest1.c
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/pipeTest$

这就是一个管道的简单使用，我们都知道，在大部分Linux的指令都是一个可执行文件，运行起来就是一个进程。ls -l的作用就是显示当前目录文件的信息，现在我们通过|将这个显示的信息通过管道传递给grep，不就实现了两个进程间的相互通信了嘛。这就是管道的核心作用：实现进程间的通信，高效传递数据，避免了使用临时文件的麻烦.

2. 管道的类型

管道存在两种类型：

匿名管道，用于父子进程或者兄弟进程间的数据传递，没有名字，仅限具有亲缘关系的进程。
命名进程，具有文件名，可以在不相干的进程间使用。

2.1 匿名管道

匿名管道通过pipe()创建。

2.1.1 介绍pipe()

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

pipefd：是一个数组，它包含两个元素，分别是管道的读端和写端的文件描述符。

pipefd[0]：读端（用于读取数据）。
pipefd[1]：写端（用于写入数据）。
pipe()创建一个管道，并将两个文件描述符存储在pipefd数组中。管道的数据流是单向的：数据从写端流向读端。
关于返回值：
成功：返回0.
失败：返回-1.
使用pepe()的基本流程：

创建管道：调用pipe()函数。
使用fork()创建一个子进程。
在父进程关闭写端，使用读端读取数据。
在子进程中关闭读端，使用写端将数据传输给父进程。

2.1.2 pipe()简单示例：父子进程通过管道通信

//本代码用来测试子进程提供匿名管道将信息传递给父进程 24/11/5
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdbool.h>
#define SIZE 1024void writer(int wfd)
{char buf[SIZE];const char* str = "hello father,i am child";int count = 1;pid_t id = getpid();while(true){//格式化输入snprintf(buf,sizeof(buf)-1,"message:%s,pid:%d,times:%d",str,id,count);write(wfd,buf,strlen(buf));count+=1;sleep(1);}
}void reader(int rfd)
{char buf[SIZE];while(true){ssize_t n = read(rfd,buf,sizeof(buf)-1);if(n == -1){perror("read");return;}printf("%s\n",buf);}}int main()
{//文件标识符int fd[2];if(pipe(fd) < 0){//errorperror("pipe error");return 1;}pid_t id = fork();if(id<0){perror("fork error");return 1;}else if(id == 0){//child//关闭读端close(fd[0]);writer(fd[1]);exit(1);}//fatherclose(fd[1]);reader(fd[0]);wait(NULL);return 0;
}

运行结果：

如此我们我们便实现了父子间的管道通信。
pipe() 是一个非常重要的系统调用，它为进程间通信提供了一个简单而高效的机制。通过管道，多个进程可以协作完成任务，并且避免了中间文件的使用。在父子进程之间的通信，或在处理大量数据时，管道通常是最常用的 IPC 方式之一。

2.1.3 管道的4种情况与5种特性

4种情况：

管道内部没有数据时且子进程不关闭自己的写端文件fd，读端（父）就会堵塞等待，直到pipe有数据，
管道内部被写满且父进程（读端）不关闭自己的fd，写端写满后，就会堵塞等待。
对于写端而言：不写了且关闭了pipe，读端会将pipe中的数据读完，最后就会读到返回值为0，表示读结束，类似读到了文件的结尾。
读端不读且关闭，写再写，OS会直接终结写入的进程（子进程）通过信号13）SIGPIPE来杀死进程。
5种特性：
自带同步机制。
血缘关系进行通信，常见于父子进程。
pipe是面向字节流的。
父子进程退出，管道自动释放，文件的生命周期是跟随进程的。
管道只能单向通信，半双工的一种特殊情况。

2.1.4 匿名管道原理

通过父子进程继承关系，再将文件描述符关闭，实现一端写，一端读就是匿名管道.
创建匿名管道的步骤：

父进程以读写的方式打开，文件。父进程fork创建子进程，子进程会拷贝一份PCB结构，PCB中会包含files_struct结构，files_struct中有一个指向struct file（文件）的指针数组，而文件描述符就是这个数组的下标。
拷贝完成后，子进程也就存在了指向struct file的对应文件描述符。
又因为，struct file是独属于的文件的，和进程没有关系，也就不用拷贝，也就是说此时父子进程同时指向了一块公共区域struct file（不同进程看见同一份资源）。
write是系统调用接口，会将数据放在内核缓冲区，底层会定期刷新缓冲区将内容写入磁盘。
匿名管道是一个半双工的通信机制，也就是说，数据只能沿一个方向流动，为了实现半双工的通信方式，父子进程需要关闭各种不需要的文件描述符。