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管道(PIPE)

1. 基本概念​

Linux 管道（Pipe）是一种用于在进程之间进行进程间通信的技术。管道是一个先进先出（FIFO）的数据结构，用于将一个进程的输出作为另一个进程的输入。管道可以通过调用 pipe() 系统调用创建，并通过使用 I/O 函数（如 read() 和 write()）进行读写操作。Linux 管道可以用于实现复杂的进程间通信机制，如管道线（pipeline）、命令行管道（command line pipe）等。

常说的管道通常指的是无名管道（PIPE）和有名管道（FIFO）。

2. 无名管道（PIPE）​

2.1 PIPE 的特征​

  1. 没有名字，无法使用 ·open()`。
  2. 只能用于亲缘进程间（父子进程、兄弟进程、祖孙进程）通信。
  3. 半双工工作模式：读写端分开。
  4. 写入操作不具有原子性，因此只能用于一对一的简单通信。
  5. 不能使用 lseek() 来定位。

2.2 PIPE 创建​

在 Linux 系统中 pipe() 函数用于创建一个管道。函数原型为：

int pipe(int pipefd[2]);

该函数接受一个参数：

  • pipefd：指向管道的整型数组的指针。

如果创建成功，则该函数返回 0。否则，返回一个非 0 值。

该函数会创建一个管道，将两个文件描述符存储在 pipefd 数组中。第一个文件描述符用于读取管道，第二个文件描述符用于写入管道。这两个文件描述符可以用来通过管道进行进程间通信。

2.3 示例代码​

下面的示例代码实现了父子进程间 pipe 管道的通信：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) 
{
    // 管道文件描述符
    int pipefd[2];

    // 创建管道
    if (pipe(pipefd) < 0) {
        perror("pipe() fail");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 创建子进程
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork() fail");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 子进程
    if (pid == 0) {
        // 关闭读取管道的文件描述符
        close(pipefd[0]);

        // 写入管道
        const char *message = "Hello parent!\n";
        write(pipefd[1], message, strlen(message));

        // 关闭写入管道的文件描述符
		close(pipefd[1]);
	}

	// 父进程
	if (pid > 0) {
		// 关闭写入管道的文件描述符
        close(pipefd[1]);

        // 读取管道
		char buf[30];
		bzero(buf, 30);
        read(pipefd[0], buf, sizeof(buf));
		printf("from child: %s", buf);
        // 关闭读取管道的文件描述符
		close(pipefd[0]);
	}
	return 0;
}

注意：父进程必须先创建PIPE，然后再创建子进程，这样子进程才能继承父进程已经产生的PIPE的文件描述符。

3. 有名管道（FIFO）​

3.1 FIFO 的特征​

  1. 有名字，存储于普通文件系统之中。
  2. 任何具有相应权限的进程都可以使用open()来获取FIFO的文件描述符。
  3. 跟普通文件一样：使用统一的 read( )/write() 来读写。
  4. 跟普通文件不同：不能使用lseek( )来定位。
  5. 具有写入原子性，支持多写者同时进行写操作而数据不会互相践踏。
  6. First In First Out，最先被写入FIFO的数据，最先被读出来。

3.2 FIFO 的创建​

在 Linux 系统中，mkfifo() 函数用于创建一个命名管道。函数原型为：

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

该函数接受两个参数：

  • pathname：命名管道的路径。
  • mode：命名管道的权限。

如果创建成功，则该函数返回 0。否则，返回一个非 0 值。

该函数会创建一个命名管道，它与普通的管道类似，但是它有一个文件名，可以通过文件名来访问它。命名管道可以让不同进程间通过文件系统路径进行通信。

3.3 示例代码​

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

//管道文件只能在tmp路径下或者家目录生成
#define FIFO "/tmp/myfifo"

int main(int argc, char *argv[])
{
    // 创建一个FIFO文件
	if (access(FIFO, F_OK)) {
		if (mkfifo(FIFO, 0666) == -1) {
			perror("mkfifo error");
			exit(1);
		}
	}

    // 打开FIFO文件
    int fd = open(FIFO, O_WRONLY|O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open error");
        exit(1);
    }

    // 往FIFO文件中写数据
    const char *msg = "Hello from process 1\n";
    int n = write(fd, msg, strlen(msg));
	printf("%d bytes write fifo\n", n);

	// 读取FIFO文件中的数据
	char buf[20];
	bzero(buf, 20);
	read(fd, buf, 20);
	printf("from FIFO: %s\n", msg);

	sleep(1);
    // 关闭FIFO文件
    close(fd);

    return 0;
}
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