Linux进程间通信之管道小记
1.无名管道
管道是一种基本的进程间通信机制，作用于亲缘进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。pipe函数原型如下：
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
pipefd[0]:读端
pipefd[1]:写端
return: 0 成功 -1 失败
无名管道的一些特性：
- 管道在用户程序看起来在这里插入代码片就像一个打开的文件,通过read(filedes[0]),或者 write(filedes[1])向这个文件读写数据
- 实质上，管道是内核空间中固定大小的一块缓冲区；读写管道就是读写这块内核缓冲区
- 内核中使用环形队列机制，借助其缓冲区(4K)实现来实现管道；因而管道具有单向的数据流特性
- 管道不属于任何一种文件系统，所以不会写入到磁盘中；它只存在于内存中，并且是内核空间
- 这样就能理解为什么管道只能用于亲缘进程之间了；因为只存于内存中，每次pipe获取的管道都是不同的，只有从公共祖先中继承得来的管道才是相同的
- 写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据
- 管道的特殊性使得管道无法使用lseek函数在管道内跳转
- 理解管道的本质后，就能明白管道的许多特性了；如：
数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取
这是因为管道是一个环形队列的机制，取出数据后就不存在队列中了
属于半双工通信方式
这不也是因为环形队列的原因么。。。 - 管道用于亲缘进程之间的通信，将管道看作一个特殊文件，充分体现了子进程继承父进程打开的文件的特性
- 管道pipe获取到的描述符pipefd[0],pipefd[1]与普通文件描述符没什么两样，并且是与普通文件描述符共用一个描述符队列
- 管道pipe可以使用close系统底层的IO操作关闭一个端口(读端/写端),或者两个端口都可以关闭
- 无名管道是随进程持续的，也就是说当最后一个打开该管道的进程退出后，管道也将消亡，不复存在
- 管道容量分为PIPE_CAPACITY 和 PIPE_BUF,这两者的区别在于PIPE_BUF定义的是内核管道缓冲区的大小，这个值的大小是由内核设定的(一般为4K)；而PIPE_CAPACITY指的是管道的最大值，即容量，是内核内存中的一个缓冲区
- 管道的容量PIPE_CAPACITY就是说每次用pipe函数创建一个管道后能往其中写入的最大字节数(本机上经测试为65535)
- 管道的读写特性(读写端都打开着)：当管道容量已满的时候，让其中写数据将会阻塞；管道为空时，读阻塞
- 当读写端有一端关闭后，有如下特性：
管道写端被全部关闭且管道无数据，read返回0 (好像读到文件结尾)
管道读端全部被关闭， 进程异常终止
管道
下面是管道的数据结构实现上的描述，或许能让你有种恍然大悟的感觉：
在 Linux 中，管道的实现并没有使用专门的数据结构，而是借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。通过将两个 file 结构指向同一个临时的 VFS 索引节点，而这个 VFS 索引节点又指向一个物理页面而实现的。有两个 file 数据结构(代表两个文件描述符)，但它们定义文件操作例程地址是不同的，其中一个是向管道中写入数据的例程地址，而另一个是从管道中读出数据的例程地址。这样，用户程序的系统调用仍然是通常的文件操作，而内核却利用这种抽象机制实现了管道这一特殊操作。
2. 有名管道
有名管道是一种可以用于非亲缘关系进程之间通信的方式；也被称为FIFO文件，是一种特殊类型的文件，它在文件系统中以文件名的形式存在，但是它的行为却和之前所讲的无名管道类似。
使用有名管道首先需要创建一个有名管道文件，有如下两种方法：
- 通过命令创建：
mkfifo fifo
- 通过函数创建：
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname,mode_t mode);
mkfifo()会依参数pathname建立特殊的FIFO文件，该文件必须不存在，而参数mode为该文件的权限（mode%~umask）
另外需要注意的是，共享文件夹是无法创建管道文件fifo的
有名管道的读写操作与无名管道一样，都是使用系统IO的读写操作：read/write;打开管道文件也是使用系统IO的打开函数：open,不过其参数有一些值得注意的地方：
int fifo_fd = open("xxx",flags);
flags的可选参数有：
O_RDWR
O_RDONLY
O_WRONLY
O_NONBLOCK
选项O_NONBLOCK表示非阻塞，加上这个选项后，表示open调用是非阻塞的，如果没有这个选项，则表示open调用是阻塞的
- 对于以只读方式（O_RDONLY）打开的FIFO文件，如果open调用是阻塞的（即第二个参数为O_RDONLY），除非有一个进程以写方式打开同一个FIFO，否则它不会返回；如果open调用是非阻塞的的（即第二个参数为O_RDONLY | O_NONBLOCK），则即使没有其他进程以写方式打开同一个FIFO文件，open调用将成功并立即返回。
- 对于以只写方式（O_WRONLY）打开的FIFO文件，如果open调用是阻塞的（即第二个参数为O_WRONLY），open调用将被阻塞，直到有一个进程以只读方式打开同一个FIFO文件为止；如果open调用是非阻塞的（即第二个参数为O_WRONLY | O_NONBLOCK），open总会立即返回，但如果没有其他进程以只读方式打开同一个FIFO文件，open调用将返回-1，并且FIFO也不会被打开。
有名管道还有其他特性：
- 有名管道文件不是一个普通文件，实际上还是一个内核中的缓冲区，所以不能用lseek操作有名管道文件
- 当我们往管道中写入了数据后，用ls -l fifo查看管道文件时，会发现管道文件的大小一直为0；这说明管道中的数据在文件系统中是不显像出来的，其数据还是通过内核的缓冲区来进行交换，只不过相对于无名管道而言多了一个文件名在文件系统中显现，故而叫有名管道
小结：通过管道可以对进程间通信以管窥豹，知道一些进程间通信的本质特征。
所有的进程间通信都是需要通过内核来进行的；因为不同进程间的虚拟内存空间是相互独立的，想要交换数据就要绕道内核空间，某个进程先把数据放到内核空间中，然后其他进程再从内核空间中获得数据。
参考：
- https://blog.csdn.net/qq_42914528/article/details/82023408
- https://blog.csdn.net/rannianzhixia/article/details/72793895
- 《UNIX高级编程》