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（1）管道是什么

管道是UNIX中一种古老的通信方式，管道本质其实是一个文件

如上，命令行who的标准输出原本是屏幕，但是却输出到了管道文件中，发生了重定向，然后wc命令再从以管道文件作为标准输入，然后输出到屏幕中 其中who | wc -l这种属于匿名管道

（2）匿名管道

A：读端和写端

从who | wc -l可以看出，who作为一个进程是把内容写入管道文件，使用的是管道的写端，wc从管道中读入数据，使用的是管道的读端。

所以两个进程利用管道通信时，一个进程要使用管道的写端写入数据，另一个进程则要使用管道的读端读入数据，所以管道文件就要用两个文件描述符进行控制，一个控制读端，一个控制写端

所以下面是父进程创建了管道

接着父进程创建子进程 可以发现此时父子进程可以同时对管道进行写入的和读取，但是管道只能一端写入一端读入，所以要进行调整

B：建立匿名管道的函数

pipe函数用于建立匿名管道，其头文件是unistd.h

其函数原型为int pipe(int fd[2]),其中fd是一个有两个元素fd[0],fd[1]的数组，传入函数pipe后在其内部分别以读写的方式打开管道文件，默认情况下，fd[0]和fd[1]会分别获得文件描述符，其中fd[0]表示读端，fd[1]表示写端

模拟实现一下pipe函数可能就是下面这样的

有很多同学在这里会感到疑惑，因为用于进程间通信的管道文件就只有一个，为什么会有两个文件描述符呢？（默认是3和4）

其实这一点在之前的基础IO中我没有表示特别清楚，以读方式的打开一个文件，会分配一个描述符（假设是3），然后再以写方式打开刚才的你文件也会分配一个描述符（假设是4），这里的3和4操作的是一个文件，只不过一个负责读，一个负责写

比如下面这个例子就可以说明这个情况

C：最简单的进程间通信-演示

这里我们可以根据上面读端和写端的那个流程，首先调用pipe函数，接着创建子进程

现在的场景就是这样 接着，我们让子进程写入数据到管道，父进程从管道读取数据。于是关闭子进程的读端也即是fd[0]，关闭父进程的写端也就是fd[1]

还有一点十分重要：文件描述符数组（pipefd）是创建子进程之前就有的，而且调用pipe函数之后，数组内容就没有改变过，所以不发生写时拷贝，所以数组是父子进程共有的。但是files struct是父子进程各自拥有的,对子进程来说close(fd[0])，就相当于抹杀了子进程对该文件的读权限

为了观察方便，对父子进程都是用死循环。子进程每隔一秒读入一段信息this is the data that the child process wrote用来证明子进程写入了数据；对于父进程则取读取数据，一旦读完数据，就输出the father process got the information，用来证明父进程读取到了数据

#include  
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       int main(){     int  pipefd[2]={   0};   pipe(pipefd);  pid_t id=fork();  if(id==0)//child  {       close(pipefd[0]);    const char* msg="This is the data that the child process wrote";    while(1)    {           write(pipefd[1],msg,strlen(msg));        sleep(1);    }       }  else//father  {       close(pipefd[1]);    char buffer[64];    while(1)    {           ssize_t ret=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);        if(ret>0)//判断是否读到        {               buffer[ret]='\0';//加上结束标志，便于输出            printf("The father process got the information:%s\n",buffer);        }    }  }  return 0;}
      
     
    
   

效果如下，这样就完成了一个最简单的进程间通信

D：管道四大特性

特性一：如果写端（这里是子进程）不关闭文件描述符，且不写入（简称为读端条件不就绪），那么读端可能会长时间阻塞（当管道有历史数据时会先读完，管道为空，且写端不写入会长时间堵塞），也就是读端快，写端慢

比如，将上面例子中，子进程的睡眠由1秒提升至5秒，就会发现虽然父进程在死循环且没有睡眠的情况下，也会和子进程同步

特性二：当写端在写入时，写端条件不就绪（比如管道已经满了），写端就要被阻塞，也就是写端快，读端慢

比如，修改上面的例子如下，在子进程中使用cout查看子进程写入管道的次数，然后父进程每隔1s读取一次

#include  
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       int main(){     int  pipefd[2]={   0};  pipe(pipefd);  pid_t id=fork();  if(id==0)//child  {       close(pipefd[0]);    const char* msg="This is the data that the child process wrote";    int cout=0;//统计次数    while(1)    {           write(pipefd[1],msg,strlen(msg));        printf("The number of times the child process writes:%d\n",cout++);    }        }  else//father  {       close(pipefd[1]);    char buffer[64];    while(1)    {           ssize_t ret=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);        if(ret>0)        {               buffer[ret]='\0';            printf("The father process got the information:%s\n",buffer);            sleep(1);        }    }  }  return 0;}
      
     
    
   

效果如下，写端瞬间将管道充满，然后读端慢慢的从管道中读数据

特性三：如果写端关闭文件描述符，那么读端当读完管道内容后，或读到文件结尾（此时read的返回值是0）

如下，当子进程读入上次后，关闭子进程的写端，跳出循环退出子进程，父进程仍旧每秒从管道中读取数据一次，并且输出read接口的返回值

#include  
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       #include 
       
        int main(){     int  pipefd[2]={   0};  pipe(pipefd);  pid_t id=fork();  if(id==0)//child  {       close(pipefd[0]);    const char* msg="This is the data that the child process wrote";    int cout=0;    while(1)    {           write(pipefd[1],msg,strlen(msg));        printf("The number of times the child process writes:%d\n",cout++);        if(cout==10)        {             close(pipefd[1]);//读10次后关闭写端          break;        }    }    exit(2);        }  else//father  {       close(pipefd[1]);    char buffer[64];    while(1)    {           ssize_t ret=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);        if(ret>0)        {               buffer[ret]='\0';            printf("The father process got the information:%s\n",buffer);            sleep(1);        }        printf("the father process read the end of file which the return value of 'read' is %ld\n",ret);//read接口的返回值    }  }  return 0;}
       
      
     
    
   

刷屏太快，将其重定向到文件中。 对比特性一，特性一中是写端不关闭文件描述符还写的特别慢，因此读端也被牵制住，造成读端堵塞。而当写端文件描述符关闭之后，这个管道文件唯一的输入来源就切断了，因此如果不给其结束标记，那么就会造成读端永久阻塞

特性四：如果读端关闭文件描述符，那么写端有可能被操作系统结束掉

如下，让子进程不断写入数据，让父进程读取5次数据后，就关闭读端，使用如下脚本观察进程

while :; do ps axj | grep test.exe | grep -v grep; echo "#######################";sleep 1;done

#include  
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       #include 
       
        int main(){     int  pipefd[2]={   0};  pipe(pipefd);  pid_t id=fork();  if(id==0)//child  {       close(pipefd[0]);    const char* msg="This is the data that the child process wrote";    int cout=0;    while(1)    {           write(pipefd[1],msg,strlen(msg));        printf("The number of times the child process writes:%d\n",cout++);    }          }  else//father  {       close(pipefd[1]);    char buffer[64];    int cout=0;    while(1)    {           ssize_t ret=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);        if(ret>0)        {               buffer[ret]='\0';            printf("The father process got the information:%s\n",buffer);            sleep(1);            cout++;        }        if(cout==5)        {               close(pipefd[0]);//读5次后就关闭读端        }    }  }  return 0;}
       
      
     
    
   

可以很明显当父进程读5次后，子进程退出，变为了僵尸状态

当读端关闭之后，就没有进程读取数据了，那么写入的操作就变成了一种无用操作，所以操作系统发现了这种浪费资源的行为后，就发送了13号信号，结束了子进程 根据前面的进程等待的知识，我们也可以获取退出信号，正是SIGPIPE

E：管道的特点

1. 只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信。通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父子进程之间就可使用该管道
2. 管道提供流式服务。所谓流式服务就是读端在读取时可以任意读取，想读多少就读多少，就像水龙头一样，你想开多大完全取决于你
3. 一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期跟随进程
4. 由特性1，2可知，管道之间具有同步和互斥的机制
5. 管道是半双工的，数据只能向一个方向流动

F：从内核角度理解管道

Linux下一切皆文件

如下便是进程打开的文件的file结构体，其中有一个结构体path 跳转过去，其中的dentry表示该file所在的目录结构体 跳转过去，当找到其所在的目录后，其结构体内就存储了目录的inode 根据目录的inode可以找到目录的数据块，而之前说过目录中存储的就是文件名和inodei·映射关系，于是就可找到该文件file的inode，如下 而inode中有一个union，它是迎来标识文件类型的，可以发现第一个便是管道文件

G：管道总结

至此我们便可以从更深的层次中理解管道的本质。sleep 1000 | sleep 2000，分别是两个进程，它们的父进程均是bash，所以bash创建了管道，然后关闭了它对管道的通信，这两个sleep命令则利用管道进行通信

who | wc -l，bash创建了管道，who和wc利用管道通信，who发生输出了重定向，将输出重定向的管道文件中，wc发生了输入重定向，将输入来源从键盘更改为管道文件，Linux一切皆文件，这就管道的本质

（3）命名管道

A：命名管道和匿名管道的区别

前面说过，匿名管道的限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信，而不适合与毫无相干的两个进程

如果我们想在两个不相干的进程之间进行通信，可以使用FIFO文件完成，也被称为命名管道，命名管道实际是一种类型为“p”的文件

B：如何创建命名管道

匿名管道由pipe函数创建并打开，命名管道则有mkfifo函数创建

命名管道可以从命令行上创建

mkfifo filename

也可以从程序中创建，其函数原型为

int mkfifo(const char* filename,modet_t mode);//filename是创建管道文件的路径+文件名//mode是权限值

C：演示-管道实现服务端和客户端的通信

如下我将虚拟机中的centos系统作为服务端，在其上创建一个文件叫做server.c，服务端用来读取数据。

在Windows中，以Windows作为客户端，客户端用来写入数据，利用xshell远程登录主机，然后创建一个文件client.c。这就像xshell是QQ窗口，我像Linux主机，也就是腾讯服务器发送消息，然后服务端回传回来。虽然不是特别准确，但是足以说明命名管道在·的作用

Makefile如下

.PHONY:allall:client.exe server.exe client.exe:client.c	gcc -o $@ $^server.exe:server.c	gcc -o $@ $^.PHONY:cleanclean:	rm client.exe server.exe fifo

首先编写服务端代码，服务端中利用mkfifo创建管道文件，然后打开这个管道文件，不断读取数据

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       int main(){     umask(0);//屏蔽命令行umask干扰  if(mkfifo("./fifo",0666)==-1)//如果mkfifo返回值是-1，创建失败  {       perror("打开失败");    return 1;  }  int fd=open("fifo",O_RDONLY);//服务端以只读的方式打开管道文件  if(fd>=0)  {       char buffer[64];    while(1)    {         printf("客户端正在接受消息\n");      printf("############################\n");      ssize_t ret=read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);      if(ret>0)      {             buffer[ret]='\0';          printf("服务端接受到客户端消息：%s\n",buffer);      }      else if(ret==0)//如果客户端退出，将会读到文件结束，所以服务端也要退出      {             printf("客户端已经下线，服务端下线\n");          break;      }      else       {           perror("读取失败\n");        break;      }    }  }}
      
     
    
   

在客户端则直接打开管道文件，然后写入数据

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       #include 
       
        int main(){     int fd=open("fifo",O_WRONLY);//直接打开管道文件  if(fd>=0)  {          char buffer[64];//从键盘读入数据到这个缓冲区      while(1)      {              printf("客户端-请输入消息：");          ssize_t ret=read(0,buffer,sizeof(buffer)-1);//从键盘读入数据          if(ret>0)          {                  buffer[ret]='\0';              write(fd,buffer,ret);//读入ret个数据就向管道中写入ret个数据          }      }  }}
       
      
     
    
   

现在，在虚拟机中运行服务端，然后在xshell中运行客户端，然后客户端输入数据，服务端就会接受到，客户端下线，服务端也会下线

这里还有一个非常有趣的点：那个fifo文件是0个字节，自始至终它都是一个字节

这表明它们之间通信时，并没有直接在这个文件上进行IO操作，因为如果进行IO操作其实代价就太大了。这里的fifo其实仅仅起到了一种标志的作用，它的底层其实和匿名管道是差不多的

上面演示的是调用系统调用接口mkfifo进行操作，而mkfifo其实也是一个命令，也就是直接可以创建管道完成通信

然后在客户端输入一段脚本，将一段文字不断输入到管道中，接着在服务端不断读取

while :; do echo "this is client";sleep 1;done > pipe

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