浅谈Linux管道（pipe）

前言

管道（pipe）是Linux系统中重要的进程间通信（IPC）机制，又分为匿名管道（anonymous pipe）和命名管道（named pipe/FIFO）两种。今天用脑过度，几句话简单谈论一下。

匿名管道

当我们在一般语境下提起管道这个词时，说的就是匿名管道。匿名管道在两个有亲缘关系的进程（即存在父子或兄弟关系的进程）之间创建，本质上是由内核管理的一小块内存缓冲区，默认大小由系统中的PIPE_BUF常量指定（默认为一页，即4096字节）。它的一端连接一个进程的输出，用于写入数据；另一端连接另一个进程的输入，用于读出数据。管道是半双工工作的，也就是可以A进程读B进程写，也可以B进程读A进程写，但是A、B两个进程不能同时读写。

匿名管道在父进程中通过系统调用int pipe(int fd[2])创建。fd[]为两个文件描述符的数组，其中fd[0]固定为管道的读端，fd[1]固定为管道的写端，不能弄反。在父进程fork出子进程之后，使用管道的两方分别关闭fd[0]和fd[1]，就可以操作管道了。如下图所示，父进程关闭fd[1]，从管道读数据；子进程关闭fd[0]，向管道写数据。

管道的读写用最基本的read()/write()系统调用来实现。注意当管道读取端没有关闭且管道已满时，write()会被阻塞；而当管道写入端没有关闭且管道为空时，read()会被阻塞。当然，如果管道的读写两端都被关闭，管道就会消失。

在Linux Shell中，匿名管道可以通过管道符号|创建，例如：cat my.txt | grep lmagic。此时cat是父进程，grep是子进程，cat进程的标准输出通过管道对接grep进程的标准输入。

命名管道

匿名管道只能用于有亲缘关系的进程之间，而命名管道则可以用于任意进程之间。与匿名管道不同的是，命名管道会借用FIFO文件来实现。FIFO文件在文件系统中创建，有自己的路径和名称，但是它仅仅作为一个管道的标记，其数据仍然由内核管理，存放在内存中。FIFO这个名称正好也揭示了管道数据先入先出的本质。

我们可以通过系统调用int mkfifo(const char *filename, mode_t mode)来创建一个FIFO文件，而进程通过open()打开FIFO文件的方式决定了它是读端（O_RDONLY）还是写端（O_WRONLY）。注意不能以读写方式（O_RDWR）打开FIFO文件。特别地，若是设置了非阻塞标志位O_NONBLOCK的话，如果有一个进程试图以读/写方式打开一个没有正在被写/读的FIFO文件，open()就会立即返回成功，反之则会阻塞。而read()/write()的阻塞方式与匿名管道是完全相同的。

最后，如果FIFO文件的读端和写端都关闭，它也不会消失，而是留在文件系统中以便其他进程使用。

管道的底层

匿名管道和命名管道的底层是相同的，就是借助两个file结构指向同一个VFS inode来实现，这个inode又指向一个页面，如下图所示。

注意两个file结构的操作f_op是不同的，这样就可以巧妙地通过普通的文件操作来实现对管道的操作了。

The End

就酱吧，洗洗睡了，民那晚安。