Linux进程间通信：深度解析匿名管道

Linux进程间通信的匿名管道详解：进程间通信是操作系统中的重要机制，匿名管道作为一种基于文件的通信方式，广泛应用于父子进程间的快速数据传输。管道本质上是一个在内存中存储的文件缓冲区，通过文件描述符进行读写操作，实现半双工的单向通信。本文详细介绍了管道的基本概念、实现方式及代码示例，帮助读者深入理解并掌握匿名管道的使用方法。

一、基本概念

我们了解到，进程之间是独立运行的，但有时需要在不同进程间传输数据以实现数据共享，有时多个进程需要共同使用同一资源，有时一个进程需要向其他进程发送消息以实现通知，有时一个进程需要完全控制另一个进程的执行以实现进程控制。

由于进程间的独立性，进程通信的成本较高。

进程间通信的核心是让不同进程能够访问同一资源，这资源必须由操作系统提供的第三方空间提供，而非某个进程的私有空间，以保持进程的独立性。访问这些第三方空间实际上就是在访问操作系统。

通常，操作系统会设立一个独立的通信模块，属于文件系统的一部分。它遵循两个标准：system V和POSIX。其中，system V用于本机内部进程通信，包括消息队列、共享内存和信号量；POSIX用于网络进程通信，包括消息队列、共享内存、信号量、互斥量、条件变量和读写锁。

在没有system V和POSIX标准之前，进程间通信主要通过管道实现，这种通信方式基于文件。

二、管道

1、回顾与深入

在学习命令行时，我们已经接触过管道。本质上，管道就像一个管子，两端有两种处理方式：在进入管道前对数据进行一次处理，管道中的数据是经过处理后的内容，然后在离开管道后再处理一次，得到的结果是经过前后两次处理的数据。

当时的学习仅停留在表面，实际上管道起到的是传递数据流的作用，连接两个进程，进程A通过管道将信息传递给进程B，管道本身不处理数据，只是传递数据。

2、实现方式

管道是一种基于文件的通信方式。我们回顾文件管理的相关内容：

在进程的PCB中有一个struct files_struct指针，指向files_struct结构体，其中包含一个文件描述符指针数组，指向对应的struct file对象。每个struct file包含inode描述文件属性，file_operators定义操作文件的函数接口，文件缓冲区用于缓冲文件。如果管道文件存储在硬盘上，IO速度会非常慢，不利于进程间的快速通信。那么，在哪里既能快速存放文件又适合呢？答案是内存。

我们去掉写入或读取硬盘的IO操作，将管道文件存放在缓冲区，其他进程通过文件描述符读取缓冲区内容，就可以实现进程间的管道通信。这种管道文件称为匿名管道。

解决了管道文件的存储问题后，接下来要解决的是其他进程如何通过文件描述符读取缓冲区内容。

我们知道，子进程由父进程创建，如果不做修改，相当于浅拷贝，父进程的PCB被复制，files_struct也被复制，它们指向相同的struct file。如果父进程以读方式打开管道文件（fd==3），以写方式打开管道文件（fd==4），子进程也会这样。然后父进程close(3)，子进程close(4)，实现父写子读；父进程close(4)，子进程close(3)，实现父读子写。

由于一个文件无法同时进行读写操作，所以匿名管道是一种半双工通信方式，即单向通信。当然，我们可以通过建立多个匿名管道来实现双向通信。

管道通信常用于父子进程通信，也可用于有“血缘”关系的兄弟进程、爷孙进程等进行通信。

3、匿名管道代码

代码语言：javascript 代码运行次数：0

int pipe(int pipefd[2]);//pipefd：文件描述符数组，其中pipefd[0]表示读端，pipefd[1]表示写端，值为对应的文件描述符 //返回值:成功返回0，失败返回错误代码 ```

在pipe函数中，int fd[2]是一个输出型参数。

我们来实现一个父读子写的管道通信示例：

代码语言：javascript 代码运行次数：0

运行 复制 ```javascript #include #include #include #include #include #include #include #include #define N 2 #define NUM 1024 using namespace std; void Writer(int wfd){ //定义要发送的字符串 string s = "this is your child"; //获取当前进程的pid pid_t myid = getpid(); int number = 0; char buffer[NUM]; while(1) { //此处相当于buffer[0] = '\0';意思是将整个数组当做字符串用并且清空字符串 buffer[0] = 0; //将字符串、pid、以及计数器number按照"%s-%d-%d"格式写到buffer当中 snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s-%d-%d",s.c_str(),myid,number++); //这里传过来的wfd为对应的文件描述符，然后将buffer中的有效内容写到管道文件缓冲区中 write(wfd,buffer,strlen(buffer)); sleep(5); } } void Reader(int rfd){ char buffer[NUM]; while(1) { //同上 buffer[0] = 0; //将文件描述符rfd读取的内容存储到buffer中，并返回读取到的字符个数n ssize_t n = read(rfd,buffer,sizeof(buffer)); //如果有内容则打印出来 if(n > 0) { buffer[n] = 0; cout ```

这里父进程仅在子进程写入时读取，没有出现子进程写一半父进程就读取的情况，因此父子进程会进行协同，有同步和互斥性。

（一）管道中的四种情况

对管道中可能出现的四种情况做说明：

• 读写端正常，如果管道为空，读端将被阻塞（如上所述）。
• 读写端正常，如果管道被写满，写端将被阻塞（在管道特性中印证）。
• 读端正常，写端关闭，读端可以读到0，表示读到了文件结尾，不堵塞。
• 写端正常，读端关闭，操作系统会杀死正在写入的进程，用信号SIGPIPE，即kill -13。

注释掉main函数中子进程的Writer函数，它会读到文件结尾并打印done信息。

写端每秒写入一次，读端每秒读一次，读端读5秒后退出读模式，关闭读端，然后静待5秒，等待子进程结束，然后打印它的退出码和收到的信号。

代码语言：javascript 代码运行次数：0

运行 复制 ```javascript int main(){ //...... if(id > 0){ //父进程 close(pipefd[1]); //关闭写端 Reader(pipefd[0]); close(pipefd[0]); //关闭读端 waitpid(id, &status, 0); cout > 8) & 0xFF

（二）管道的特性

代码语言：javascript 代码运行次数：0

运行 复制 ```javascript //子进程持续写入 void Writer(int wfd){ string s = "this is your child"; pid_t myid = getpid(); int number = 0; char buffer[NUM]; while(1) { buffer[0] = 0; snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s-%d-%d",s.c_str(),myid,number++); write(wfd,buffer,strlen(buffer)); } } //父进程每5秒读取一次数据 void Reader(int rfd){ char buffer[NUM]; while(1) { sleep(5); buffer[0] = 0; ssize_t n = read(rfd,buffer,sizeof(buffer)); if(n > 0) { buffer[n] = 0; cout ```

我们发现，读取的数据是杂乱无章的，这说明管道是面向字节流的。这与前面的说法并不矛盾，有人可能会问，这里不是还没写完就读取了吗？你看这句话是一段一段的。实际上，这里是因为缓冲区写满了，写端被阻塞，直到读取端读取数据后，写端才能继续写入。这也验证了之前的说法。

今天的分享就到这里了。

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