匿名管道

kubectl get pod -A | grep mysql

上面命令行里的「|」豎線就是一個管道，在命令行（如 Linux Shell 或 Windows CMD/PowerShell）中，管道操作符 | 的作用是將 前一個命令的標(biāo)準(zhǔn)輸出（stdout） 傳遞給 后一個命令的標(biāo)準(zhǔn)輸入（stdin）。但它默認(rèn) 不會傳遞標(biāo)準(zhǔn)錯誤（stderr），這是它的核心行為特點。

1. 管道|的基本行為

command1 | command2

• command1 的 stdout → 作為 command2 的 stdin。
• command1 的 stderr → 直接打印到終端，不會傳遞給 command2。

示例 1（stdout 被管道傳遞）

# ls 成功時，stdout（文件列表）會傳遞給 grep
ls /usr/bin | grep "python"

示例 2（stderr 未被管道傳遞）

# 如果目錄不存在，錯誤信息會直接顯示，不會傳遞給 grep
ls /nonexistent_dir | grep "error"

輸出：

ls: cannot access '/nonexistent_dir': No such file or directory

（錯誤信息直接顯示，grep 不會處理它）

2. 為什么|不處理 stderr

• 設(shè)計初衷：| 的職責(zé)是傳遞 正常輸出，錯誤信息通常需要直接反饋給用戶。
• 分離數(shù)據(jù)流：stdout（正常輸出）和 stderr（錯誤信息）是獨立的流，| 默認(rèn)只操作 stdout。

3. 原理

int pipe(int fd[2])

這里表示創(chuàng)建一個匿名管道,并返回了兩個描述符,一個是管道的讀取端描述符,另一個是管道的寫入端描述符fd。注意,這個匿名管道是特殊的文件,只存在于內(nèi)存,不存于文件系統(tǒng)中。

所謂的管道，就是內(nèi)核里面的一串緩存。從管道的一段寫入的數(shù)據(jù)，實際上是緩存在內(nèi)核中的，另一端讀取，也就是從內(nèi)核中讀取這段數(shù)據(jù)。另外，管道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是無格式的流且大小受限。

管道只能一端寫入，另一端讀出，所以上面這種模式容易造成混亂，因為父進程和子進程都可以同時寫入，也都可以讀出。那么，為了避免這種情況，通常的做法是：

• 父進程關(guān)閉讀取的 fd[o]，只保留寫入的 fd[1];
• 子進程關(guān)閉寫入的fd[1],只保留讀取的 fd[o];

在shell 里面執(zhí)行 A | B 命令的時候，A 進程和 B 進程都是shell 創(chuàng)建出來的子進程，A 和 B 之間不存在父子關(guān)系，它倆的父進程都是 shell。

命名管道

簡介

• 匿名管道，它的通信范圍是存在父子關(guān)系的進程。因為管道沒有實體，也就是沒有管道文件,只能通過fork來復(fù)制父進程 fd文件描述符,來達到通信的目的。
• 對于命名管道,它可以在不相關(guān)的進程間也能相互通信。因為命令管道,提前創(chuàng)建了一個類型為管道的設(shè)備文件，在進程里只要使用這個設(shè)備文件，就可以相互通信。
• 不管是匿名管道還是命名管道,進程寫入的數(shù)據(jù)都是緩存在內(nèi)核中，另一個進程讀取數(shù)據(jù)時候自然也是從內(nèi)核中獲取,同時通信數(shù)據(jù)都遵循先進先出原則,不支持Iseek之類的文件定位操作。

使用

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

創(chuàng)建 FIFO

使用 mkfifo 命令或 mkfifo() 函數(shù)創(chuàng)建：

mkfifo /tmp/myfifo  # 創(chuàng)建一個名為 /tmp/myfifo 的 FIFO

• pathname：FIFO 的文件路徑（如 /tmp/myfifo）。
• mode：權(quán)限（如 0644，表示用戶可讀寫，其他人只讀）。

FIFO 的特點

半雙工通信

• 同一時間只能 讀 或 寫，不能同時讀寫（類似單行道）。
• 示例：

# 終端1：寫入數(shù)據(jù)
echo "Hello" > /tmp/myfifo

# 終端2：讀取數(shù)據(jù)
cat /tmp/myfifo  # 輸出 "Hello"

阻塞機制

• 如果沒有進程在 讀，寫操作會 卡住，直到有進程來讀。
• 如果沒有進程在 寫，讀操作會 卡住，直到有進程來寫。

數(shù)據(jù)是流式的

• 數(shù)據(jù)像水流一樣，讀完后會消失，不能像普通文件那樣隨意跳轉(zhuǎn)（lseek 無效）。

如何使用 FIFO？

（1）命令行測試

# 終端1：監(jiān)聽 FIFO（讀）
cat /tmp/myfifo

# 終端2：發(fā)送數(shù)據(jù)（寫）
echo "Hello FIFO" > /tmp/myfifo

終端1 會顯示 Hello FIFO。

（2）C 語言示例

#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    mkfifo("/tmp/myfifo", 0644);  // 創(chuàng)建 FIFO

    int fd = open("/tmp/myfifo", O_WRONLY);  // 以寫方式打開
    write(fd, "Hello", 6);  // 寫入數(shù)據(jù)
    close(fd);

    return 0;
}

常見問題

Q1: FIFO 和普通文件有什么區(qū)別？

• FIFO 是 內(nèi)存中的管道，數(shù)據(jù)讀完就沒了；普通文件會持久化存儲。

Q2: FIFO 和匿名管道（|）有什么區(qū)別？

• 匿名管道只能用于 父子進程，F(xiàn)IFO 可用于 任意進程。

Q3: 如果 FIFO 已經(jīng)存在，再創(chuàng)建會怎樣？

• mkfifo 會失敗，并提示 File exists。

原理

1. 普通文件 vs. 命名管道（FIFO）

普通文件（如 a.txt）：

• 數(shù)據(jù)存儲在 磁盤 上，打開時會加載到內(nèi)存。
• 修改后需要 寫回磁盤（刷盤）。
• 多個進程打開同一文件時，數(shù)據(jù)可能不同步（除非加鎖）。

命名管道（FIFO）：

• 本質(zhì)是一個 內(nèi)存緩沖區(qū)，只是偽裝成文件（磁盤上只有文件名，沒有實際數(shù)據(jù)塊）。
• 數(shù)據(jù) 不寫入磁盤，直接在進程間流動。
• 專為 進程間通信（IPC） 設(shè)計，速度快。

2. 命名管道的工作原理

（1）創(chuàng)建 FIFO

當(dāng)執(zhí)行 mkfifo /tmp/myfifo 時：

1. 磁盤上創(chuàng)建一個 空文件（只有 inode，沒有數(shù)據(jù)塊）。
2. 操作系統(tǒng)內(nèi)核維護一個 內(nèi)存緩沖區(qū)（用于存儲進程間傳遞的數(shù)據(jù)）。

（2）進程 A 寫入數(shù)據(jù)

echo "Hello" > /tmp/myfifo

• 進程 A 打開 FIFO 以寫方式（O_WRONLY）。
• 數(shù)據(jù) "Hello" 被寫入內(nèi)核的 內(nèi)存緩沖區(qū)（不刷盤?。?。
• 如果 沒有進程在讀取，進程 A 會 阻塞（卡?。钡接羞M程來讀。

（3）進程 B 讀取數(shù)據(jù)

cat /tmp/myfifo

• 進程 B 打開 FIFO 以讀方式（O_RDONLY）。
• 從內(nèi)核緩沖區(qū)讀取 "Hello"，數(shù)據(jù)被消費（緩沖區(qū)清空）。
• 如果 沒有進程在寫入，進程 B 會 阻塞，直到有進程寫入。

3. 關(guān)鍵點解析

（1）文件描述符與內(nèi)核結(jié)構(gòu)

每個進程打開 FIFO 時，內(nèi)核會 復(fù)用同一個 struct file（通過引用計數(shù) ref 管理）。

• 第一次打開時創(chuàng)建 struct file，ref=1。
• 第二個進程打開時，ref=2（指向同一個內(nèi)存緩沖區(qū)）。
• 關(guān)閉時 ref--，ref=0 時內(nèi)核才釋放資源。

（2）為什么數(shù)據(jù)不刷盤？

• FIFO 的 設(shè)計目的 是進程間通信，數(shù)據(jù)不需要持久化。
• 刷盤會 拖慢速度，且毫無意義（通信完數(shù)據(jù)即可丟棄）。

（3）半雙工通信

• 同一時間只能 單向流動（讀或?qū)懀?/li>
• 如果需要雙向通信，需創(chuàng)建 兩個 FIFO（一個負(fù)責(zé) A→B，一個負(fù)責(zé) B→A）。

4. 類比理解

把 FIFO 想象成 一條水管：

寫入端：進程 A 往水管里倒水（數(shù)據(jù)）。

讀取端：進程 B 從水管接水（數(shù)據(jù)）。

特性：

• 水管沒有儲水功能（數(shù)據(jù)不持久化）。
• 如果沒人接水，倒水的人會等待（阻塞寫入）。
• 如果沒人倒水，接水的人會等待（阻塞讀?。?。

總結(jié)

簡單來說：

FIFO 是 披著文件外衣的內(nèi)存管道，讓進程可以通過文件路徑名通信，數(shù)據(jù) 不落盤，速度極快！

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

最新評論