1.什么是管道 ？

管道（Pipe）是一種常見的進程間通信（IPC，Inter-Process Communication）機制，在 Unix/Linux 系統(tǒng)中尤其重要。它允許一個進程的輸出直接作為另一個進程的輸入，而不需要使用中間文件。管道通常用于將多個命令連接起來，讓它們像流水線一樣處理數(shù)據(jù)。
管道在 Unix/Linux 系統(tǒng)中提供了一種簡便的機制，允許數(shù)據(jù)在不同進程之間傳遞。它提供了一個緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)寫入管道的一端（寫端），然后可以從另一端（讀端）讀取。管道的本質是一種半雙工的通信機制，即數(shù)據(jù)只能沿一個方向流動。
提問：有沒有一些直觀的管道的利用？
當然。其實早在Linux的指令學習中，我們就已經(jīng)接觸到了管道。就是這個符號|。

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$ 

這就是一個管道的簡單使用，我們都知道，在大部分Linux的指令都是一個可執(zhí)行文件，運行起來就是一個進程。ls -l的作用就是顯示當前目錄文件的信息，現(xiàn)在我們通過|將這個顯示的信息通過管道傳遞給grep，不就實現(xiàn)了兩個進程間的相互通信了嘛。這就是管道的核心作用：實現(xiàn)進程間的通信，高效傳遞數(shù)據(jù)，避免了使用臨時文件的麻煩.

2. 管道的類型

管道存在兩種類型：

• 匿名管道，用于父子進程或者兄弟進程間的數(shù)據(jù)傳遞，沒有名字，僅限具有親緣關系的進程。
• 命名進程，具有文件名，可以在不相干的進程間使用。

2.1 匿名管道

匿名管道通過pipe()創(chuàng)建。

2.1.1 介紹pipe()

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

pipefd：是一個數(shù)組，它包含兩個元素，分別是管道的讀端和寫端的文件描述符。

• pipefd[0]：讀端（用于讀取數(shù)據(jù)）。
• pipefd[1]：寫端（用于寫入數(shù)據(jù)）。
• pipe()創(chuàng)建一個管道，并將兩個文件描述符存儲在pipefd數(shù)組中。
• 管道的數(shù)據(jù)流是單向的：數(shù)據(jù)從寫端流向讀端。
• 關于返回值：
• 成功：返回0.
• 失?。悍祷?1.

使用pepe()的基本流程：

• 創(chuàng)建管道：調用pipe()函數(shù)。
• 使用fork()創(chuàng)建一個子進程。
• 在父進程關閉寫端，使用讀端讀取數(shù)據(jù)。
• 在子進程中關閉讀端，使用寫端將數(shù)據(jù)傳輸給父進程。

2.1.2 pipe()簡單示例：父子進程通過管道通信

//本代碼用來測試子進程提供匿名管道將信息傳遞給父進程 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 1024
void writer(int wfd)
{
    char buf[SIZE];
    const char* str = "hello father,i am child";
    int count = 1;
    pid_t id = getpid();
    while(true)
    {
        //格式化輸入
        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()
{
    //文件標識符
    int fd[2];
    if(pipe(fd) < 0)
    {
        //error
        perror("pipe error");
        return 1;
    }
    pid_t id = fork();
    if(id<0)
    {
        perror("fork error");
        return 1;
    }
    else if(id == 0)
    {
        //child
        //關閉讀端
        close(fd[0]);
        writer(fd[1]);
        exit(1);
    }
    //father
    close(fd[1]);
    reader(fd[0]);
    wait(NULL);
    return 0;
}

運行結果：

如此我們我們便實現(xiàn)了父子間的管道通信。
pipe() 是一個非常重要的系統(tǒng)調用，它為進程間通信提供了一個簡單而高效的機制。通過管道，多個進程可以協(xié)作完成任務，并且避免了中間文件的使用。在父子進程之間的通信，或在處理大量數(shù)據(jù)時，管道通常是最常用的 IPC 方式之一。

2.1.3 管道的4種情況與5種特性

4種情況：

• 管道內部沒有數(shù)據(jù)時且子進程不關閉自己的寫端文件fd，讀端（父）就會堵塞等待，直到pipe有數(shù)據(jù)，
• 管道內部被寫滿且父進程（讀端）不關閉自己的fd，寫端寫滿后，就會堵塞等待。
• 對于寫端而言：不寫了且關閉了pipe，讀端會將pipe中的數(shù)據(jù)讀完，最后就會讀到返回值為0，表示讀結束，類似讀到了文件的結尾。
• 讀端不讀且關閉，寫再寫，OS會直接終結寫入的進程（子進程）通過信號13）SIGPIPE來殺死進程。
• 5種特性：
• 自帶同步機制。
• 血緣關系進行通信，常見于父子進程。
• pipe是面向字節(jié)流的。
• 父子進程退出，管道自動釋放，文件的生命周期是跟隨進程的。
• 管道只能單向通信，半雙工的一種特殊情況。

2.1.4 匿名管道原理

通過父子進程繼承關系，再將文件描述符關閉，實現(xiàn)一端寫，一端讀就是匿名管道.
創(chuàng)建匿名管道的步驟：

父進程以讀寫的方式打開，文件。父進程fork創(chuàng)建子進程，子進程會拷貝一份PCB結構，PCB中會包含files_struct結構，files_struct中有一個指向struct file（文件）的指針數(shù)組，而文件描述符就是這個數(shù)組的下標。
拷貝完成后，子進程也就存在了指向struct file的對應文件描述符。
又因為，struct file是獨屬于的文件的，和進程沒有關系，也就不用拷貝，也就是說此時父子進程同時指向了一塊公共區(qū)域struct file（不同進程看見同一份資源）。
write是系統(tǒng)調用接口，會將數(shù)據(jù)放在內核緩沖區(qū)，底層會定期刷新緩沖區(qū)將內容寫入磁盤。
匿名管道是一個半雙工的通信機制，也就是說，數(shù)據(jù)只能沿一個方向流動，為了實現(xiàn)半雙工的通信方式，父子進程需要關閉各種不需要的文件描述符。

2.1.5 用fork來共享管道的原理

使用fork后

2.1.6 站在文件描述符角度-深度理解管道

0 1 2 分別為 標準輸入，標準輸出，標準錯誤。

2.1.7 站在內核角度-管道的本質

Linux下一切皆文件.
所以我們也應該用看待文件的眼觀，去理解管道。
我們可以將管道（Pipe）理解為一種特殊類型的文件。實際上，管道確實是由操作系統(tǒng)內部的內存緩沖區(qū)實現(xiàn)的，它通過文件描述符來進行訪問，就像其他普通文件一樣。通過這種類比，我們可以從文件的角度理解管道。

3. 匿名管道總結

通過匿名管道，進程可以輕松地進行數(shù)據(jù)交換，而不需要借助臨時文件或其他外部資源。盡管管道有一些局限性（如單向傳輸和緩沖區(qū)限制），它仍然是許多進程間通信場景中常見的選擇。
注意：管道是半雙工的，數(shù)據(jù)只能向一個方向流動，需要雙方通信時，可以建立兩個管道。

到此這篇關于Linux管道揭秘：匿名管道如何連接進程世界的文章就介紹到這了,更多相關Linux匿名管道內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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