Linux中的pipe与named pipe（FIFO），即管道和命名管道

管道是Linux中很重要的一种通信方式,是把一个程序的输出直接连接到另一个程序的输入,常说的管道多是指无名管道,无名管道只能用于具有亲缘关系的进程之间，这是它与有名管道的最大区别。

有名管道叫named pipe或者FIFO(先进先出)，可以用函数mkfifo()创建。

FIFO

FIFO就是命名管道，或有名管道。对于pipe我们不难看出它只能用于一个进程家族之间通信，父子之间，兄弟之间等等。如果想要让管道在更宽泛的环境中，那是不行的，原因是它没有“名字”或者说是匿名的，另外的进程看不到它，这样就有了命名管道。它同样是基于VFS，对应的文件类型就是FIFO文件，可以通过mknod命令在磁盘上创建一个FIFO文件（注意：这就是它与pipe的本质区别，pipe完全就是存在与内存中，在磁盘上毫无痕迹），当进程想通过该FIFO来通信时就可以标准的API open打开该文件，然后开始读写操作。对于FIFO的读写实现，它与pipe是相同的。区别在于，FIFO有open这一操作，而pipe是在调用pipe这个系统调用时直接创建了一对文件描述符用于通信。并且，FIFO的open操作还有些细致的地方要考虑，例如如果写者先打开，尚无读者，那么肯定是不能通信了，所以就需要先去睡眠等待读者打开该FIFO，反之对读者亦然。

管道是Linux中很重要的一种通信方式,是把一个程序的输出直接连接到另一个程序的输入,常说的管道多是指无名管道,无名管道只能用于具有亲缘关系的进程之间，这是它与有名管道的最大区别。

有名管道叫named pipe或者FIFO(先进先出)，可以用函数mkfifo()创建。

Linux管道的实现机制

在Linux中，管道是一种使用非常频繁的通信机制。从本质上说，管道也是一种文件，但它又和一般的文件有所不同，管道可以克服使用文件进行通信的两个问题，具体表现为：

· 限制管道的大小。实际上，管道是一个固定大小的缓冲区。在Linux中，该缓冲区的大小为1页，即4K字节，使得它的大小不象文件那样不加检验地增长。使用单个固定缓冲区也会带来问题，比如在写管道时可能变满，当这种情况发生时，随后对管道的write()调用将默认地被阻塞，等待某些数据被读取，以便腾出足够的空间供write()调用写。

· 读取进程也可能工作得比写进程快。当所有当前进程数据已被读取时，管道变空。当这种情况发生时，一个随后的read()调用将默认地被阻塞，等待某些数据被写入，这解决了read()调用返回文件结束的问题。

注意：从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读，它就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据。

1. 管道的结构

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。

2.管道的读写

管道实现的源代码在fs/pipe.c中，在pipe.c中有很多函数，其中有两个函数比较重要，即管道读函数pipe_read()和管道写函数 pipe_wrtie()。管道写函数通过将字节复制到 VFS 索引节点指向的物理内存而写入数据，而管道读函数则通过复制物理内存中的字节而读出数据。当然，内核必须利用一定的机制同步对管道的访问，为此，内核使用了锁、等待队列和信号。

当写进程向管道中写入时，它利用标准的库函数write()，系统根据库函数传递的文件描述符，可找到该文件的 file 结构。file 结构中指定了用来进行写操作的函数（即写入函数）地址，于是，内核调用该函数完成写操作。写入函数在向内存中写入数据之前，必须首先检查 VFS 索引节点中的信息，同时满足如下条件时，才能进行实际的内存复制工作：

·内存中有足够的空间可容纳所有要写入的数据；

·内存没有被读程序锁定。

如果同时满足上述条件，写入函数首先锁定内存，然后从写进程的地址空间中复制数据到内存。否则，写入进程就休眠在 VFS 索引节点的等待队列中，接下来，内核将调用调度程序，而调度程序会选择其他进程运行。写入进程实际处于可中断的等待状态，当内存中有足够的空间可以容纳写入数据，或内存被解锁时，读取进程会唤醒写入进程，这时，写入进程将接收到信号。当数据写入内存之后，内存被解锁，而所有休眠在索引节点的读取进程会被唤醒。

管道的读取过程和写入过程类似。但是，进程可以在没有数据或内存被锁定时立即返回错误信息，而不是阻塞该进程，这依赖于文件或管道的打开模式。反之，进程可以休眠在索引节点的等待队列中等待写入进程写入数据。当所有的进程完成了管道操作之后，管道的索引节点被丢弃，而共享数据页也被释放。

因为管道的实现涉及很多文件的操作,因此,当读者学完有关文件系统的内容后来读pipe.c中的代码，你会觉得并不难理解。

Linux 管道的创建和使用都要简单一些，唯一的原因是它需要更少的参数。实现与 Windows 相同的管道创建目标，Linux 和 UNIX 使用下面的代码片段：

　　创建 Linux 命名管道
　　int fd1[2];

if(pipe(fd1))

{ printf(“pipe() FAILED: errno=%d”,errno);

return 1;

}

　　Linux 还支持命名管道。对这些数字的早期评论员建议我，为公平起见，应该比较 Linux 的命名管道和 Windows 的命名管道。我写了另一个在 Linux 上使用命名管道的程序。我发现对于 Linux 上命名的和未命名的管道，结果是没有区别。

　　Linux 管道比 Windows 2000 命名管道快很多，而 Windows 2000 命名管道比 Windows XP 命名管道快得多。

例子:
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
int n,fd[2]; // 这里的fd是文件描述符的数组，用于创建管道做准备的
pid_t pid;
char line[100];
if(pipe(fd)<0) // 创建管道
printf(“pipe create error\n”);

if((pid=fork())<0) //利用fork()创建新进程
printf(“fork error\n”);

else if(pid>0){ //这里是父进程，先关闭管道的读出端，然后在管道的写端写入“hello world”
close(fd[0]);
write(fd[1],”hello word\n”,11);
}
else{
close(fd[1]); //这里是子进程，先关闭管道的写入端，然后在管道的读出端读出数据
n= read(fd[0],line,100);
write(STDOUT_FILENO,line,n);
}
exit(0);
}

总结：管道分为无名管道和有名管道，其中无名管道不属于任何文件系统，只存在于内存中，它是无名无形的，但是可以把它看作一种特殊的文件，通过使用普通文件的read(),write()函数对管道进行操作，
有名管道是有名有形的，为了使用这种管道，LINUX中设立了一个专门的特殊文件系统–管道文件，它存在于文件系统中，任何进程可以在任何时候通过有名管道的路径和文件名来访问管道。但是在磁盘上的只是一个节点，而文件的数据则只存在于内存缓冲页面中，与普通管道一样。

pipe是Linux中最经典的进程间通信手段，在终端里通常用来组合命令，例如“ls -l｜wc -l”。它的作用很直观，就是使得前一个进程的输出作为后一个进程的输入，在概念上很符合“管道”的意思。

用管道实现“ls -l | wc -l“

《情景分析》上有这个例子的代码，我觉得很适合用来了解管道。这里假设终端对应的进程为PA，wc、ls是PA先后创建的两个子进程child_B与child_C。代码简化后抄录如下：
int main(){
int pipefds[2], child_B, child_C;
pipe(pipefds);
if (!(child_B=fork()){ //先创建“读”的一端，它要关闭“写”的的一端
close(pipefds[1]);
close(0);
dup2(pipefds[0], 0); //在执行系统调用execve后，child_B会释放0,1,2之外由父进程打开的文件，
close(pipefds[0]); //所以要把pipefds[0]复制到标准输入对应的文件句柄0
execl(“/usr/bin/wc”, “-l”, NULL);
} //这里之后，A和B可以通过管道进行通信
close(pipefds[0]);
if (!(child_C=fork()){ //再创建“写”的一端，它要关闭“读”的的一端
close(1);
dup2(pipefds[1],1); //道理同前面
close(pipefds[1]);
execl(“/bin/ls”, “-1”, NULL);
} //这里之后，B和C可以通过管道进行通信
close(pipefds[1]);
wait4(child_B, NULL, 0, NULL);
return 0;
}