linux 进程间通信- 惊觉

管道知识总结

管道是 Unix/Linux 中最古老的进程间通信（IPC）方式之一，本质是内核中的一块缓冲区，通过文件描述符暴露给进程，使用方式与文件一致，体现了“Linux 一切皆文件”的思想。管道分为匿名管道和命名管道。

1. 管道的基本概念

定义：从一个进程连接到另一个进程的数据流。
典型命令：who | wc -l，who 进程的标准输出写入管道，wc 进程从管道读取。
分类：
- 匿名管道：pipe
- 命名管道：FIFO，mkfifo

2. 匿名管道

2.1 创建与使用

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

fd[0]：读端
fd[1]：写端
成功返回 0，失败返回错误码。

2.2 原理

父进程调用 pipe 创建管道，得到两个文件描述符。
fork 后子进程继承这两个描述符，父子进程可通过管道通信。
通常父进程关闭读端、子进程关闭写端，形成单向数据流。
站在文件描述符角度：管道对应两个 struct file，一个读、一个写。
站在内核角度：管道有数据页、读操作、写操作，使用方式与文件一致。

2.3 代码示例

从键盘读数据，写入管道，再从管道读出写到屏幕：

int fds[2];
char buf[100];
pipe(fds);
while (fgets(buf, 100, stdin)) {
    write(fds[1], buf, strlen(buf));
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    int len = read(fds[0], buf, 100);
    write(1, buf, len);
}

2.4 用 fork 共享管道

父进程创建管道 pipe(fds)。
fork 出子进程。
父进程关闭 fd[0]，子进程关闭 fd[1]，即可实现父写子读或父读子写。

2.5 进程池应用

利用匿名管道可以编写进程池：

主进程创建多个子进程，每个子进程对应一个管道。
子进程通过 dup2(pipefd[0], 0) 将管道读端重定向到标准输入，然后循环 read(0, &cmd, sizeof(cmd)) 读取任务。
父进程保存每个管道的写端，通过轮询方式派发任务。
清理时父进程关闭所有写端，waitpid 回收子进程。
相关文件：Channel.hpp、ProcessPool.hpp、Task.hpp、Main.cc、Makefile。

3. 命名管道（FIFO）

3.1 为什么需要命名管道

匿名管道只能用于具有共同祖先的进程。命名管道可以在不相关的进程之间交换数据。

3.2 创建

命令行：

mkfifo filename

程序内：

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

3.3 匿名管道与命名管道的区别

对比项	匿名管道	命名管道
创建方式	`pipe` 创建并打开	`mkfifo` 创建，`open` 打开
使用范围	亲缘进程	任意进程
语义	相同	相同

3.4 打开规则

以读方式打开 FIFO：
- O_NONBLOCK 禁用：阻塞直到有进程以写方式打开。
- O_NONBLOCK 启用：立刻返回成功。
以写方式打开 FIFO：
- O_NONBLOCK 禁用：阻塞直到有进程以读方式打开。
- O_NONBLOCK 启用：立刻返回失败，错误码 ENXIO。

3.5 实例

文件拷贝：一个进程读文件写入命名管道，另一个进程读管道写入目标文件。
server & client 通信：
- server：mkfifo("mypipe", 0644)，open("mypipe", O_RDONLY)，循环读并打印。
- client：open("mypipe", O_WRONLY)，读键盘输入写入管道。
- 运行结果：server 等待，client 输入后 server 打印，client 退出后 server 读到 0 退出。

4. 管道读写规则

场景	O_NONBLOCK 禁用	O_NONBLOCK 启用
没有数据可读	`read` 阻塞，直到有数据	`read` 返回 -1，`errno = EAGAIN`
管道满	`write` 阻塞，直到有进程读走数据	`write` 返回 -1，`errno = EAGAIN`
所有写端关闭	`read` 返回 0	同左
所有读端关闭	`write` 产生 `SIGPIPE`，可能导致进程退出	同左

写入数据量 ≤ PIPE_BUF：Linux 保证写入原子性。
写入数据量 > PIPE_BUF：不保证原子性。

5. 管道特点

只能用于具有共同祖先的进程之间通信。
提供流式服务。
生命周期随进程，进程退出管道释放。
内核会对管道操作进行同步与互斥。
管道是半双工的，数据只能单向流动；需要双向通信时，需建立两个管道。
验证管道通信的四种情况：
- 读正常 && 写满
- 写正常 && 读空
- 写关闭 && 读正常
- 读关闭 && 写正常

6. 管道与共享内存配合

共享内存是最快的 IPC 形式，但没有同步与互斥，会带来并发问题。可以借助管道实现访问控制：

创建 FIFO 作为同步机制。
server 端等待 Wait(fd)，client 写入共享内存后 Signal(fd)。
server 收到信号后读取共享内存。
这样让进程执行产生一定顺序性，但注意这只是一个演示，实际需更完善的同步机制。

7. 内核如何管理 IPC 资源

Linux 内核用 struct ipc_ids、struct ipc_id_ary、struct kern_ipc_perm 等结构统一管理 System V IPC 资源：

ipc_ids：管理 IPC 标识符。
ipc_id_ary：保存 kern_ipc_perm 指针数组。
kern_ipc_perm：权限、key、uid、gid、mode 等。
具体资源：
- 共享内存：struct shmid_kernel
- 消息队列：struct msg_queue
- 信号量：struct sem_array

这些 IPC 资源生命周期随内核，必须显式删除，否则不会自动清除。

8. 小结

管道是 Linux 中基于文件描述符的进程间通信机制。
匿名管道用于亲缘进程，命名管道用于任意进程。
管道读写有阻塞/非阻塞规则，写端全关 read 返回 0，读端全关 write 触发 SIGPIPE。
管道可用于进程池、minishell 管道实现、共享内存访问控制等场景。
理解管道要抓住两点：文件描述符视角和内核缓冲区视角。

转载自 CSDN-专业IT技术社区

原文链接：https://blog.csdn.net/Diopeng_out/article/details/166590984

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