Linux IPC：管道与FIFO汇总整理

管道（Pipes）和先进先出（FIFOs，也称为命名管道）都是Linux中用于进程间通信（IPC）的机制。它们允许数据从一个进程流向另一个进程，类似于命令行中的管道操作符 |。下面详细介绍这两种机制以及如何使用它们。

管道 (Pipes)

管道是一种特殊的文件，它允许数据从一个进程（通常称为生产者）流向另一个进程（通常称为消费者）。管道是半双工的，意味着数据只能单向流动。

特点

• 管道存在于内存中，不是真正的文件系统对象。
• 管道只能用于具有亲缘关系的进程之间，通常是父子进程。
• 管道是半双工的，即数据只能在一个方向上流动。
• 管道的容量有限，当写入的数据超过管道的容量时，写入操作会被阻塞，直到消费者读取了一些数据。

创建管道

• pipe():
  • int pipe(int pipefd[2]): 创建一个管道。
  • 参数pipefd是一个数组，包含两个文件描述符，第一个用于读取，第二个用于写入。

示例代码

以下是一个简单的例子，展示了如何使用管道在父子进程中传递数据：

1#include <unistd.h>
2#include <stdio.h>
3#include <stdlib.h>
4#include <string.h>
5#include <sys/wait.h>
6
7int main() {
8    int pipefd[2];
9    pid_t pid;
10
11    // 创建管道
12    if (pipe(pipefd) == -1) {
13        perror("pipe");
14        exit(EXIT_FAILURE);
15    }
16
17    // 创建子进程
18    pid = fork();
19    if (pid < 0) {
20        perror("fork");
21        exit(EXIT_FAILURE);
22    } else if (pid == 0) {  // 子进程
23        close(pipefd[1]);  // 关闭写端
24        char buffer[1024];
25        ssize_t bytes_read = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
26        if (bytes_read == -1) {
27            perror("read");
28            exit(EXIT_FAILURE);
29        }
30        buffer[bytes_read] = '\0';  // 确保字符串以空字符结尾
31        printf("子进程读取: %s\n", buffer);
32        close(pipefd[0]);
33        exit(EXIT_SUCCESS);
34    } else {  // 父进程
35        close(pipefd[0]);  // 关闭读端
36        const char *message = "Hello, World!";
37        ssize_t bytes_written = write(pipefd[1], message, strlen(message));
38        if (bytes_written == -1) {
39            perror("write");
40            exit(EXIT_FAILURE);
41        }
42        close(pipefd[1]);
43
44        // 等待子进程结束
45        wait(NULL);
46    }
47
48    return 0;
49}

FIFO (Named Pipes)

FIFO 或命名管道类似于管道，但它们是文件系统中的特殊文件，因此可以被任何进程访问。这意味着它们可以用于没有亲缘关系的进程之间进行通信。

特点

• FIFO 是持久性的，即使创建它的进程不再存在，FIFO 仍然存在。
• FIFO 可以被任何进程打开和使用，而不仅仅是父子进程。
• FIFO 也是半双工的，即数据只能在一个方向上流动。
• FIFO 的容量同样有限，当写入的数据超过 FIFO 的容量时，写入操作会被阻塞，直到消费者读取了一些数据。

创建 FIFO

• mkfifo():
  • int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode): 创建一个 FIFO。
  • 参数pathname指定 FIFO 的路径名，mode指定权限掩码。

示例代码

以下是一个简单的例子，展示了如何使用命名管道在两个进程之间传递数据：

1#include <unistd.h>
2#include <stdio.h>
3#include <stdlib.h>
4#include <string.h>
5#include <fcntl.h>
6#include <sys/stat.h>
7
8#define FIFO_NAME "/tmp/myfifo"
9
10int main() {
11    int filedes;
12    char buffer[1024];
13
14    // 创建 FIFO
15    if (mkfifo(FIFO_NAME, S_IRUSR | S_IWUSR) == -1) {
16        if (errno != EEXIST) {
17            perror("mkfifo");
18            exit(EXIT_FAILURE);
19        }
20    }
21
22    // 读取进程
23    filedes = open(FIFO_NAME, O_RDONLY);
24    if (filedes == -1) {
25        perror("open");
26        exit(EXIT_FAILURE);
27    }
28
29    ssize_t bytes_read = read(filedes, buffer, sizeof(buffer) - 1);
30    if (bytes_read == -1) {
31        perror("read");
32        exit(EXIT_FAILURE);
33    }
34    buffer[bytes_read] = '\0';  // 确保字符串以空字符结尾
35    printf("读取进程: %s\n", buffer);
36    close(filedes);
37
38    // 写入进程
39    filedes = open(FIFO_NAME, O_WRONLY);
40    if (filedes == -1) {
41        perror("open");
42        exit(EXIT_FAILURE);
43    }
44
45    const char *message = "Hello, World!";
46    ssize_t bytes_written = write(filedes, message, strlen(message));
47    if (bytes_written == -1) {
48        perror("write");
49        exit(EXIT_FAILURE);
50    }
51    close(filedes);
52
53    return 0;
54}

注意事项

• 在使用管道或 FIFO 之前，确保检查文件描述符的有效性。
• 当使用 FIFO 时，确保至少有一个进程已经打开了 FIFO 的读端或写端，否则打开操作可能会失败。
• 在使用完管道或 FIFO 后，记得关闭文件描述符以释放资源。
• 在创建 FIFO 之后，确保在不再需要时删除它以释放文件系统资源。
• 跨进程通信时，确保处理好同步问题，避免数据竞争或死锁。

管道和 FIFO 都是非常有用的进程间通信工具，它们可以简化数据在进程之间的传输过程。理解和熟练掌握这些机制对于编写可靠、高效的多进程程序非常重要。