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管道-匿名管道

news 2025/9/17 12:54:33

一、管道介绍

管道（Pipe）是一种在UNIX和类UNIX系统中用于进程间通信的机制。它允许一个进程的输出直接成为另一个进程的输入，从而实现数据的流动。管道是一种轻量级的通信方式，用于协调不同进程的工作。

1. 创建和使用管道：

创建： 管道可以通过在Shell命令中使用竖线符号 | 来创建，也可以在程序中使用系统调用 pipe 来创建。
使用： 管道通过将一个进程的标准输出（stdout）连接到另一个进程的标准输入（stdin），从而实现两者之间的数据传输。
2. 匿名管道：
类型： 管道分为匿名管道（Anonymous Pipe）和命名管道（Named Pipe）。
匿名管道： 由操作系统动态创建，用于具有亲缘关系的进程之间的通信，其句柄仅在创建时有效。
3. 命名管道（FIFO）：
类型： 命名管道是一种特殊的文件，也称为FIFO（First In, First Out）。
命名： 在文件系统中具有唯一名称，不限于亲缘关系的进程，可以在不同进程之间共享数据。
4. 进程间通信（IPC）：
目的： 管道用于实现进程间通信，允许一个进程的输出成为另一个进程的输入。
特点： 管道是半双工的，数据流只能单向传输，需要两个管道来实现双向通信。
5. Shell中的管道：
语法： 在Shell中，使用 | 将一个命令的输出传递给另一个命令，形成管道。
示例： ls | grep "pattern"，这会将 ls 的输出传递给 grep 进行过滤。
6. 程序中的管道：
系统调用： 在C语言等编程语言中，可以使用 pipe 系统调用创建管道，使用 dup2 复制文件描述符，最后使用 exec 执行其他程序。
7.关闭和错误处理：
关闭： 使用管道时，需要确保在合适的时候关闭不需要的文件描述符，以避免资源泄漏。
错误处理： 对于管道的创建和使用，需要进行错误处理，以处理可能发生的异常情况。
8.限制和注意事项：
有限性： 管道的缓冲区有限，可能导致阻塞，特别是在没有足够空间来容纳数据时。
同步问题： 管道的使用可能涉及到进程间的同步问题，需要谨慎处理。

ls |wc -l

这是一种典型的使用匿名管道的情况，用于连接两个进程，其中一个进程的输出成为另一个进程的输入。在这里，ls命令用于列出目录中的文件，而wc -l命令则用于统计行数，因此可以用于统计目录中文件的数量。

二、管道特点

内核内存中的缓冲器：
- 管道是在内核内存中维护的缓冲器，用于在两个进程之间传递数据。这个缓冲器是有限的，因此管道的容量是有限的，当管道达到容量上限时，写操作可能会阻塞。
匿名管道与有名管道的特性：
- 匿名管道没有文件实体，它是通过系统调用 pipe 创建的。有名管道则是在文件系统中有唯一名称的文件，通过 mkfifo 创建。有名管道可用于不同进程之间的通信，而匿名管道通常用于有亲缘关系的进程。
管道的读写操作：
- 管道的读写操作与文件相似，可以使用标准的文件I/O操作，如read和write。进程通过向管道写入数据，或从管道读取数据来进行通信。
消息边界的缺失：
- 与消息队列不同，管道是一个字节流，不存在消息边界的概念。进程可以读取任意大小的数据块，而不受写入数据块大小的限制。这种特性使得管道在流式数据传输场景中非常灵活。
数据的顺序性：
- 管道传递的数据是顺序的，即数据的读取顺序与写入顺序保持一致。这确保了在管道中传递的数据在接收端是按照正确的顺序被处理。
单向传递：
- 管道是单向的，即数据的传递方向是确定的。一端用于写入数据，另一端用于读取数据。这使得管道成为半双工的通信机制。
一次性读取：
- 从管道中读取数据是一次性的操作，即一旦数据被读取，它就从管道中被移除。这也意味着，如果某个进程没有读取所有写入管道的数据，这些数据将被丢弃。
无法随机访问：
- 与文件不同，管道中的数据不能通过 seek() 等操作进行随机访问。由于管道是一个流式的通信机制，数据只能按顺序读取。
匿名管道的限制：
- 匿名管道通常限制在具有公共祖先的进程之间使用。这通常是父子进程之间的通信，或者通过其他方式具有亲缘关系的进程之间的通信。匿名管道是在 pipe() 系统调用时创建的。

三、为什么可以使用管道进行进程间通信

在父子进程或兄弟进程之间使用匿名管道进行通信时，理解文件描述符表的概念是非常重要的。文件描述符表是每个进程内部维护的一张表，用于跟踪打开的文件和其他I/O资源。以下是匿名管道在进程间通信中与文件描述符表的关系：

文件描述符的创建：
- 当调用 pipe 系统调用创建匿名管道时，会返回两个文件描述符，这两个文件描述符分别代表管道的读端和写端。
父子进程之间的文件描述符继承：
- 在调用 fork 创建子进程时，子进程将会继承父进程的文件描述符表。这意味着子进程也会获得父进程的管道文件描述符。
关闭不需要的文件描述符：
- 通常，在使用管道进行通信时，需要关闭不需要的文件描述符。例如，在子进程中关闭管道的写端，在父进程中关闭管道的读端，以确保每个进程只使用它需要的文件描述符。
数据流动：
- 当一个进程向管道写入数据时，数据通过管道流向另一个进程。这是通过在一个进程中使用 write，在另一个进程中使用 read 来完成的，而这些操作使用文件描述符。

四、管道的数据结构

五、父子进程之间使用匿名管道通信


/*#include <unistd.h>int pipe(int pipefd[2]);功能：创建一个匿名管道，用来进程通信参数：int pipefd[2] 这个数组是一个传出参数pipefd[0] 对应管道的读端（文件描述符)pipefd[2] 对应管道的写端返回值：成功：0失败：-1注意： 匿名管道只能用于具有关系的进程之间的通信（父子进程、兄弟进程）*/#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
// 子进程发送数据给父进程，父进程输出
int main(){// 在fork之前创建管道int pipefd[2];int ret = pipe(pipefd);if(ret==-1){perror("pipe");exit(0);}// 创建子进程pid_t pid =fork();if(pid>0){printf(" i am a parent,pid : %d\n",getpid());char buf[1024]={0};while(1){//读int len = read(pipefd[0],buf,sizeof(buf));printf("parent recv :%s,pid: %d\n",buf,getpid());char * str ="heloo ,i am your parent";// 想管道写数据write(pipefd[1],str, strlen(str));sleep(1);}}else if(pid==0){//sleep(10);printf(" i am a child process, pid: %d\n",getpid());char buf[1024]={0};while (1){char * str ="heloo ,i am your grandfaher";// 向管道写数据write(pipefd[1],str, strlen(str));sleep(1);// 读int len = read(pipefd[0],buf,sizeof(buf));printf("parent recv :%s,pid: %d\n",buf,getpid());}}return 0;
}

六、fpathconf查看管道大小

fpathconf 是一个用于获取文件路径配置值（pathconf values）的函数。通过这个函数，可以获取与文件或文件描述符相关联的一些运行时配置信息，包括管道的大小。

要查看管道的大小，可以通过 fpathconf 函数来获取相应的配置值。对于管道的大小，我们关注的是 PIPE_BUF，它表示一个原子的写入或读取操作的最大字节数。注意，PIPE_BUF 并不一定反映实际管道的大小，而是表示每次写入或读取的最大字节数，它是一个限制，不同系统可能有不同的值

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>int main(){int pipefd[2];int ret = pipe(pipefd);//获取管道大小long size = fpathconf(pipefd[0],_PC_PIPE_BUF);printf("pipe size : %ld\n",size);return 0;
}