管道与命名管道的深入理解

（1）管道是什么？

管道是UNIX系统中的一种古老的通信方式，实际上它本质上是一个文件。管道允许进程之间进行简单的数据传输，数据可以是文本或二进制数据。例如，命令行工具who的标准输出原本会显示在屏幕上，但可以通过管道将输出重定向到一个文件中。这种重定向称为匿名管道，常见的例子是who | wc -l，其中who将数据写入管道，wc -l则从管道读取数据并显示结果。

（2）匿名管道

2.1 读端与写端

从who | wc -l的例子可以看出，who进程使用管道的写端将数据写入管道，而wc进程使用管道的读端读取数据。两个进程通过管道进行通信时，一个进程需要使用写端，另一个进程需要使用读端。因此，管道文件需要两个文件描述符来控制读写操作。

2.2 匿名管道的创建

在UNIX系统中，匿名管道可以通过pipe()函数创建。该函数的头文件是<unistd.h>，函数原型为int pipe(int fd[2])。传入的fd数组包含两个元素，fd[0]表示管道的读端文件描述符，fd[1]表示写端文件描述符。默认情况下，fd[0]和fd[1]分别打开管道文件进行读写操作。

（3）最简单的进程间通信-演示

3.1 管道的读写流程

首先调用pipe()函数创建管道。

然后调用fork()创建子进程。

父进程关闭写端fd[1]，子进程关闭读端fd[0]。

子进程不断向写端写入数据，父进程从读端读取数据。

以下是一个简单的示例：

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       int main() {    int pipefd[2] = {0};    pipe(pipefd);    pid_t child_id = fork();    if (child_id == 0) {        close(pipefd[0]);        const char *msg = "This is the data that the child process wrote";        while (1) {            write(pipefd[1], msg, strlen(msg));            sleep(1);        }    } else {        close(pipefd[1]);        char buffer[64];        while (1) {            ssize_t ret = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);            if (ret > 0) {                buffer[ret] = '\0';                printf("The father process got the information: %s\n", buffer);            }        }    }    return 0;}

3.2 进程间通信的效果

在上述代码中，子进程每秒写入一段数据，父进程则持续读取并输出数据。当子进程退出时，父进程也随之退出。这种简单的通信机制展示了管道的基本特性。

（4）管道的四大特性

4.1 特性一：读端快速，写端慢

如果写端没有关闭文件描述符且不进行写入操作，读端可能会长时间阻塞（即读端慢）。例如，当子进程的睡眠时间从1秒增加到5秒时，父进程仍然可以及时读取数据。

4.2 特性二：写端条件不就绪时会被阻塞

当写端试图向已满的管道中写入数据时，写端会被阻塞，直到读端读取数据并释放管道空间。

4.3 特性三：写端关闭后读端会读到数据结束

如果写端关闭，读端在读到管道内容结束（返回值为0）时会停止读取。

4.4 特性四：读端关闭后写端可能被操作系统终止

如果读端关闭，操作系统会发送SIGPIPE信号终止写端进程。

（5）命名管道

5.1 命名管道与匿名管道的区别

匿名管道只能在具有共同祖先的进程间通信，而命名管道可以在任何进程间通信。

5.2 命名管道的创建

命名管道可以通过mkfifo命令或函数mkfifo()创建。例如：

mkfifo my_pipe

函数原型为int mkfifo(const char *filename, mode_t mode)。

5.3 命名管道的实现

以下是一个使用命名管道的简单示例：

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       int main() {    const char *fifo_path = "my_fifo";    umask(0);    if (mkfifo(fifo_path, 0666) == -1) {        perror("创建管道失败");        return 1;    }    int fd = open(fifo_path, O_WRONLY);    if (fd == -1) {        perror("打开管道失败");        return 1;    }    char *msg = "Hello, world!";    while (1) {        write(fd, msg, strlen(msg));        sleep(1);    }    return 0;}

5.4 命名管道的通信

在另一进程中打开同一管道文件并进行读写操作：

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       int main() {    const char *fifo_path = "my_fifo";    int fd = open(fifo_path, O_RDONLY);    if (fd == -1) {        perror("打开管道失败");        return 1;    }    char *buffer = "Hello, parent!";    while (1) {        ssize_t ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);        if (ret > 0) {            buffer[ret] = '\0';            printf("Parent received: %s\n", buffer);        }    }    return 0;}

（6）从内核角度理解管道

在Linux内核中，所有文件都以文件结构体file表示。管道文件的file结构体的type成员为S_IFIFO，表明这是一个FIFO文件。文件的路径和目录结构体dentry关联，目录的inode存储文件的信息。

（7）管道总结

特性：
- 只能用于具有共同祖先的进程间通信。
- 提供流式服务，读端可以任意读取数据。
- 管道的生命周期随进程而终结。
- 具有同步和互斥机制。
- 半双工，数据只能单向流动。

优势：
- 简单且高效，适合小量数据传输。
- 不占用内存，通信成本低。

通过对管道和命名管道的理解，我们可以更好地利用这些机制进行进程间通信。例如，who | wc -l的实现正是基于匿名管道的通信机制，而mkfifo命令则用于创建命名管道以支持跨进程通信。

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