51-无名管道

这恐怕是最古老的 linux 进程间通信的方式了。这种方式简单而又强大，尤其适合有亲缘关系的进程（通常是父子进程）间通信了。

实际上，你或多或少的都用过管道这种通信方式，比如你在使用的 linux 命令中的管道连接符 |。所以，对于管道来说，你应该有一种亲切感。

1. 管道为何物？

如果你实践过前面我们讲过的使用本地文件进行进程间通信的方式，那么你就可以把管道理解成位于进程内核空间（如果你不记得这个概念，请翻阅前面的博文）的“文件”。

图1 假想的位于内核的管道文件

给文件加引号，是因为它和文件确实很像，因为它也有描述符。但是它确实又不是普通的本地文件，而是一种抽象的存在。

当进程使用 pipe 函数，就可以打开位于内核中的这个特殊“文件”。同时 pipe 函数会返回两个描述符，一个用于读，一个用于写。如果你使用 fstat函数来测试该描述符，可以发现此文件类型为 FIFO.

而无名管道的无名，指的就是这个虚幻的“文件”，它没有名字。

本质上，pipe 函数会在进程内核空间申请一块内存（比如一个内存页，一般是 4KB），然后把这块内存当成一个先进先出（FIFO）的循环队列来存取数据，这一切都由操作系统帮助我们实现了。

2. pipe 函数

• 函数原型

int pipe(int pipefd[2]);

pipe 函数打开的文件描述符是通过参数（数组）传递出来的，而返回值表示打开成功（0）或失败（-1）。

它的参数是一个大小为 2 的数组。此数组的第 0 个元素用来接收以读的方式打开的描述符，而第 1 个元素用来接收以写的方式打开的描述符。也就是说，pipefd[0] 是用于读的，而 pipefd[1] 是用于写的。

打开了文件描述符后，就可以使用 read(pipefd[0]) 和 write(pipefd[1]) 来读写数据了。

• 注意事项

这两个分别用于读写的描述符必须同时打开才行，否则会出问题。

1. 如果关闭读(close(pipefd[0]))端保留写端，继续向写端(pipefd[1]) 端写数据(write 函数)的进程会收到 SIGPIPE 信号。
2. 如果关闭写(close(pipefd[1]))端面保留读端，继续向读端(pipefd[0])读数据(read 函数)，read 函数会返回 0.

3. 用 pipe 进行进程间通信

当在进程用 pipe 函数打开两个描述符后，我们可以 fork 出一个子进程。这样，子进程也会继承这两个描述符，而且这两个文件描述符的引用计数会变成 2。（如果忘记了这个特性，请复习《fork 函数与文件共享》 ）

如果你需要父进程向子进程发送数据，那么得把父进程的 pipefd[0] （读端）关闭，而在子进程中把 pipefd[1] 写端关闭，反之亦然。为什么要这样做？实际上是避免出错。传统上 pipe 管道只能用于半双工通信（即一端只能发，不能收；而另一端只能收不参发），为了安全起见，各个进程需要把不用的那一端关闭（本质上是引用计数减 1）。

图2 和图 3 演示了上述过程。

• 步骤一：fork 子进程
  

  
  
  图2 fork 后的半双工管道
  

• 步骤二：关闭父进程读端，关闭子进程写端
  

  
  
  图3 从父进程到子进程的管道
  

要想实现全双工通信（既能发又能收）怎么办？你可以再使用 pipe 打开两个描述符，或者使用其它的 ipc 手段。

接下来，看实例。

4. 实例

下面的程序功能如下：父进程 fork 出一个子进程，通过无名管道向子进程发送字符，子进程收到数据后将字符串中的小写字符转换成大写并输出。

为了突显程序结构，删除了错误处理部分的代码。

• 代码

// hellopipe.c#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <ctype.h>void child(int *fd) {  close(fd[1]); // 子进程关闭写端  char buf[64];  int n = 0,i;  while(1) {    n = read(fd[0], buf, 64); // 如果没有数据可读，read 会阻塞；如果父进程退出，read 返回 0.    for (i = 0; i < n; ++i) putchar(toupper(buf[i]));    if (*buf == 'q') {      exit(0);      close(fd[0]);    }       if (n == 0) {      puts("no data to read!");      sleep(1);    }     }  exit(0);  }int main() {  int fd[2];  int n = 0;  char buf[64] = { 0 };  if (pipe(fd) < 0) {    perror("pipe");    return -1;   }  pid_t pid = fork();  if (pid == 0) {    child(fd);  }  close(fd[0]);// 父进程关闭读端  while (1) {    n = read(STDIN_FILENO, buf, 64);     write(fd[1], buf, n);     if (*buf == 'q') {      exit(0);      close(fd[1]);    }     }  return 0;}

• 编译和运行

$ gcc hellopipe.c -o hellopipe$ ./hellopipe

• 运行结果

hello world // 输入HELLO WORLD // 输出24215lkjl // 输入24215LKJL // 输出

5. 总结

• 掌握 pipe 函数
• 理解 pipe 函数原理（fifo 队列）

练习：在运行上面的程序时，分别 kill 父进程和子进程，看看有什么结果，并解释现象。