Linux 无名管道以及有名管道

无名管道

概述

管道也叫无名管道，它是是 UNIX 系统 IPC（进程间通信） 的最古老形式，所有的 UNIX 系统都支持这种通信机制。

管道有如下特点：

1. 半双工，数据在同一时刻只能在一个方向上流动。

2. 数据只能从管道的一端写入，从另一端读出。

3. 写入管道中的数据遵循先入先出的规则。

4. 管道所传送的数据是无格式的，这要求管道的读出方与写入方必须事先约定好数据的格式，如多少字节算一个消息等。

5. 管道不是普通的文件，不属于某个文件系统，其只存在于内存中。

6. 管道在内存中对应一个缓冲区。不同的系统其大小不一定相同。

7. 从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读走，它就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据。

8. 管道没有名字，只能在具有公共祖先的进程（父进程与子进程，或者两个兄弟进程，具有亲缘关系）之间使用。

对于管道特点的理解，我们可以类比现实生活中管子，管子的一端塞东西，管子的另一端取东西。

管道是一种特殊类型的文件，在应用层体现为两个打开的文件描述符。

pipe函数

#include <unistd.h>
?
int pipe(int pipefd[2]);
功能：创建无名管道。
?
参数：
    pipefd : 为 int 型数组的首地址，其存放了管道的文件描述符 pipefd[0]、pipefd[1]。
    
    当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符 fd[0] 和 fd[1]。其中 fd[0] 固定用于读管道，而 fd[1] 固定用于写管道。一般文件 I/O的函数都可以用来操作管道(lseek() 除外)。
?
返回值：
    成功：0
    失败：-1

子进程通过无名管道给父进程传递一个字符串数据：

int main()
{
    int fd_pipe[2] = { 0 };
    pid_t pid;
?
    if (pipe(fd_pipe) < 0)
    {// 创建管道
        perror("pipe");
    }
?
    pid = fork(); // 创建进程
    if (pid == 0)
    { // 子进程
        char buf[] = "I am mike";
        // 往管道写端写数据
        write(fd_pipe[1], buf, strlen(buf));
?
        _exit(0);
    }
    else if (pid > 0)
    {// 父进程
        wait(NULL); // 等待子进程结束，回收其资源
        char str[50] = { 0 };
?
        // 从管道里读数据
        read(fd_pipe[0], str, sizeof(str));
?
        printf("str=[%s]\n", str); // 打印数据
    }
?
    return 0;
}

管道的读写特点

使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）：

1. 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。

2. 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。

3. 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。

4. 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

总结：

读管道：

管道中有数据，read返回实际读到的字节数。

管道中无数据：

管道写端被全部关闭，read返回0 (相当于读到文件结尾)

写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)

写管道：

管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程终止)

管道读端没有全部关闭：

管道已满，write阻塞。

管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

设置为非阻塞的方法

//获取原来的flags
int flags = fcntl(fd[0], F_GETFL);
// 设置新的flags
flag |= O_NONBLOCK;
// flags = flags | O_NONBLOCK;
fcntl(fd[0], F_SETFL, flags);

查看管道缓冲区命令

可以使用ulimit -a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。

查看管道缓冲区函数

#include <unistd.h>
?
long fpathconf(int fd, int name);
功能：该函数可以通过name参数查看不同的属性值
参数：
    fd：文件描述符
    name：
        _PC_PIPE_BUF，查看管道缓冲区大小
        _PC_NAME_MAX，文件名字字节数的上限
返回值：
    成功：根据name返回的值的意义也不同。
    失败： -1
 

示例：

int main()
{
    int fd[2];
    int ret = pipe(fd);
    if (ret == -1)
    {
        perror("pipe error");
        exit(1);
    }
?
    long num = fpathconf(fd[0], _PC_PIPE_BUF);
    printf("num = %ld\n", num);
?
    return 0;
}

有名管道

概述

管道，由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。为了克服这个缺点，提出了命名管道（FIFO），也叫有名管道、FIFO文件。

命名管道（FIFO）不同于无名管道之处在于它提供了一个路径名与之关联，以 FIFO 的文件形式存在于文件系统中，这样，即使与 FIFO 的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过 FIFO 相互通信，因此，通过 FIFO 不相关的进程也能交换数据。

命名管道（FIFO)和无名管道（pipe）有一些特点是相同的，不一样的地方在于：

1. FIFO 在文件系统中作为一个特殊的文件而存在，但 FIFO 中的内容却存放在内存中。

2. 当使用 FIFO 的进程退出后，FIFO 文件将继续保存在文件系统中以便以后使用。

3. FIFO 有名字，不相关的进程可以通过打开命名管道进行通信。

通过命令创建有名管道

通过函数创建有名管道

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
?
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
功能：
    命名管道的创建。
参数：
    pathname : 普通的路径名，也就是创建后 FIFO 的名字。
    mode : 文件的权限，与打开普通文件的 open() 函数中的 mode 参数相同。(0666)
返回值：
    成功：0   状态码
    失败：如果文件已经存在，则会出错且返回 -1。

有名管道读写操作

一旦使用mkfifo创建了一个FIFO，就可以使用open打开它，常见的文件I/O函数都可用于fifo。如：close、read、write、unlink等。

FIFO严格遵循先进先出（first in first out），对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。

//进行1，写操作
int fd = open("my_fifo", O_WRONLY);  
?
char send[100] = "Hello Mike";
write(fd, send, strlen(send));
?
//进程2，读操作
int fd = open("my_fifo", O_RDONLY);//等着只写  
?
char recv[100] = { 0 };
//读数据，命名管道没数据时会阻塞，有数据时就取出来  
read(fd, recv, sizeof(recv));
printf("read from my_fifo buf=[%s]\n", recv);

有名管道注意事项

1. 一个为只读而打开一个管道的进程会阻塞直到另外一个进程为只写打开该管道
2. 一个为只写而打开一个管道的进程会阻塞直到另外一个进程为只读打开该管道

读管道：

管道中有数据，read返回实际读到的字节数。

管道中无数据：

管道写端被全部关闭，read返回0 (相当于读到文件结尾)

写端没有全部被关闭，read阻塞等待

写管道：

管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程终止)

管道读端没有全部关闭：

管道已满，write阻塞。

管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。