linux管道是什么及怎么使用

本文小編為大家詳細(xì)介紹“l(fā)inux管道是什么及怎么使用”，內(nèi)容詳細(xì)，步驟清晰，細(xì)節(jié)處理妥當(dāng)，希望這篇“l(fā)inux管道是什么及怎么使用”文章能幫助大家解決疑惑，下面跟著小編的思路慢慢深入，一起來學(xué)習(xí)新知識(shí)吧。

管道是Linux進(jìn)程間的一種通信方式，兩個(gè)進(jìn)程可以通過一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)域來傳遞信息，并且管道中的數(shù)據(jù)只能是單向流動(dòng)的，也就是說只能有固定的寫進(jìn)程和讀進(jìn)程。目前在任何一個(gè)shell中，都可以使用“|”連接兩個(gè)命令，shell會(huì)將前后兩個(gè)進(jìn)程的輸入輸出用一個(gè)管道相連，以便達(dá)到進(jìn)程間通信的目的。

什么是管道？

管道，英文為pipe。管道是Linux進(jìn)程間的一種通信方式，兩個(gè)進(jìn)程可以通過一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)域來傳遞信息，并且管道中的數(shù)據(jù)只能是單向流動(dòng)的，也就是說只能有固定的寫進(jìn)程和讀進(jìn)程。

管道的發(fā)明人是道格拉斯.麥克羅伊，這位也是UNIX上早期shell的發(fā)明人。他在發(fā)明了shell之后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)操作執(zhí)行命令的時(shí)候，經(jīng)常有需求要將一個(gè)程序的輸出交給另一個(gè)程序進(jìn)行處理，這種操作可以使用輸入輸出重定向加文件搞定，比如：

[zorro@zorro-pc pipe]$ ls  -l /etc/ > etc.txt
[zorro@zorro-pc pipe]$ wc -l etc.txt 
183 etc.txt

但是這樣未免顯得太麻煩了。所以，管道的概念應(yīng)運(yùn)而生。目前在任何一個(gè)shell中，都可以使用“|”連接兩個(gè)命令，shell會(huì)將前后兩個(gè)進(jìn)程的輸入輸出用一個(gè)管道相連，以便達(dá)到進(jìn)程間通信的目的：

[zorro@zorro-pc pipe]$ ls -l /etc/ | wc -l
183

對(duì)比以上兩種方法，我們也可以理解為，管道本質(zhì)上就是一個(gè)文件，前面的進(jìn)程以寫方式打開文件，后面的進(jìn)程以讀方式打開。這樣前面寫完后面讀，于是就實(shí)現(xiàn)了通信。實(shí)際上管道的設(shè)計(jì)也是遵循UNIX的“一切皆文件”設(shè)計(jì)原則的，它本質(zhì)上就是一個(gè)文件。Linux系統(tǒng)直接把管道實(shí)現(xiàn)成了一種文件系統(tǒng)，借助VFS給應(yīng)用程序提供操作接口。

雖然實(shí)現(xiàn)形態(tài)上是文件，但是管道本身并不占用磁盤或者其他外部存儲(chǔ)的空間。在Linux的實(shí)現(xiàn)上，它占用的是內(nèi)存空間。所以，Linux上的管道就是一個(gè)操作方式為文件的內(nèi)存緩沖區(qū)。

管道的分類和使用

Linux上的管道分兩種類型：

• 匿名管道

• 命名管道

這兩種管道也叫做有名或無名管道。匿名管道最常見的形態(tài)就是我們?cè)趕hell操作中最常用的”|”。它的特點(diǎn)是只能在父子進(jìn)程中使用，父進(jìn)程在產(chǎn)生子進(jìn)程前必須打開一個(gè)管道文件，然后fork產(chǎn)生子進(jìn)程，這樣子進(jìn)程通過拷貝父進(jìn)程的進(jìn)程地址空間獲得同一個(gè)管道文件的描述符，以達(dá)到使用同一個(gè)管道通信的目的。此時(shí)除了父子進(jìn)程外，沒人知道這個(gè)管道文件的描述符，所以通過這個(gè)管道中的信息無法傳遞給其他進(jìn)程。這保證了傳輸數(shù)據(jù)的安全性，當(dāng)然也降低了管道了通用性，于是系統(tǒng)還提供了命名管道。

我們可以使用mkfifo或mknod命令來創(chuàng)建一個(gè)命名管道，這跟創(chuàng)建一個(gè)文件沒有什么區(qū)別：

[zorro@zorro-pc pipe]$ mkfifo pipe
[zorro@zorro-pc pipe]$ ls -l pipe 
prw-r--r-- 1 zorro zorro 0 Jul 14 10:44 pipe

可以看到創(chuàng)建出來的文件類型比較特殊，是p類型。表示這是一個(gè)管道文件。有了這個(gè)管道文件，系統(tǒng)中就有了對(duì)一個(gè)管道的全局名稱，于是任何兩個(gè)不相關(guān)的進(jìn)程都可以通過這個(gè)管道文件進(jìn)行通信了。比如我們現(xiàn)在讓一個(gè)進(jìn)程寫這個(gè)管道文件：

[zorro@zorro-pc pipe]$ echo xxxxxxxxxxxxxx > pipe

此時(shí)這個(gè)寫操作會(huì)阻塞，因?yàn)楣艿懒硪欢藳]有人讀。這是內(nèi)核對(duì)管道文件定義的默認(rèn)行為。此時(shí)如果有進(jìn)程讀這個(gè)管道，那么這個(gè)寫操作的阻塞才會(huì)解除：

[zorro@zorro-pc pipe]$ cat pipe 
xxxxxxxxxxxxxx

大家可以觀察到，當(dāng)我們cat完這個(gè)文件之后，另一端的echo命令也返回了。這就是命名管道。

Linux系統(tǒng)無論對(duì)于命名管道和匿名管道，底層都用的是同一種文件系統(tǒng)的操作行為，這種文件系統(tǒng)叫pipefs。大家可以在/etc/proc/filesystems文件中找到你的系統(tǒng)是不是支持這種文件系統(tǒng)：

[zorro@zorro-pc pipe]$ cat /proc/filesystems |grep pipefs
nodev    pipefs

觀察完了如何在命令行中使用管道之后，我們?cè)賮砜纯慈绾卧谙到y(tǒng)編程中使用管道。

PIPE

我們可以把匿名管道和命名管道分別叫做PIPE和FIFO。這主要因?yàn)樵谙到y(tǒng)編程中，創(chuàng)建匿名管道的系統(tǒng)調(diào)用是pipe()，而創(chuàng)建命名管道的函數(shù)是mkfifo()。使用mknod()系統(tǒng)調(diào)用并指定文件類型為為S_IFIFO也可以創(chuàng)建一個(gè)FIFO。

使用pipe()系統(tǒng)調(diào)用可以創(chuàng)建一個(gè)匿名管道，這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的原型為：

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

這個(gè)方法將會(huì)創(chuàng)建出兩個(gè)文件描述符，可以使用pipefd這個(gè)數(shù)組來引用這兩個(gè)描述符進(jìn)行文件操作。pipefd[0]是讀方式打開，作為管道的讀描述符。pipefd[1]是寫方式打開，作為管道的寫描述符。從管道寫端寫入的數(shù)據(jù)會(huì)被內(nèi)核緩存直到有人從另一端讀取為止。我們來看一下如何在一個(gè)進(jìn)程中使用管道，雖然這個(gè)例子并沒有什么意義：

[zorro@zorro-pc pipe]$ cat pipe.c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define STRING "hello world!"

int main()
{
    int pipefd[2];
    char buf[BUFSIZ];

    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe()");
        exit(1);
    }

    if (write(pipefd[1], STRING, strlen(STRING)) < 0) {
        perror("write()");
        exit(1);
    }

    if (read(pipefd[0], buf, BUFSIZ) < 0) {
        perror("write()");
        exit(1);
    }

    printf("%s\n", buf);

    exit(0);
}

這個(gè)程序創(chuàng)建了一個(gè)管道，并且對(duì)管道寫了一個(gè)字符串之后從管道讀取，并打印在標(biāo)準(zhǔn)輸出上。用一個(gè)圖來說明這個(gè)程序的狀態(tài)就是這樣的：

一個(gè)進(jìn)程自己給自己發(fā)送消息這當(dāng)然不叫進(jìn)程間通信，所以實(shí)際情況中我們不會(huì)在單個(gè)進(jìn)程中使用管道。進(jìn)程在pipe創(chuàng)建完管道之后，往往都要fork產(chǎn)生子進(jìn)程，成為如下圖表示的樣子：

如圖中描述，fork產(chǎn)生的子進(jìn)程會(huì)繼承父進(jìn)程對(duì)應(yīng)的文件描述符。利用這個(gè)特性，父進(jìn)程先pipe創(chuàng)建管道之后，子進(jìn)程也會(huì)得到同一個(gè)管道的讀寫文件描述符。從而實(shí)現(xiàn)了父子兩個(gè)進(jìn)程使用一個(gè)管道可以完成半雙工通信。此時(shí)，父進(jìn)程可以通過fd[1]給子進(jìn)程發(fā)消息，子進(jìn)程通過fd[0]讀。子進(jìn)程也可以通過fd[1]給父進(jìn)程發(fā)消息，父進(jìn)程用fd[0]讀。程序?qū)嵗缦拢?/p>

[zorro@zorro-pc pipe]$ cat pipe_parent_child.c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

#define STRING "hello world!"

int main()
{
    int pipefd[2];
    pid_t pid;
    char buf[BUFSIZ];

    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe()");
        exit(1);
    }

    pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork()");
        exit(1);
    }

    if (pid == 0) {
        /* this is child. */
        printf("Child pid is: %d\n", getpid());
        if (read(pipefd[0], buf, BUFSIZ) < 0) {
            perror("write()");
            exit(1);
        }

        printf("%s\n", buf);

        bzero(buf, BUFSIZ);
        snprintf(buf, BUFSIZ, "Message from child: My pid is: %d", getpid());
        if (write(pipefd[1], buf, strlen(buf)) < 0) {
            perror("write()");
            exit(1);
        }

    } else {
        /* this is parent */
        printf("Parent pid is: %d\n", getpid());

        snprintf(buf, BUFSIZ, "Message from parent: My pid is: %d", getpid());
        if (write(pipefd[1], buf, strlen(buf)) < 0) {
            perror("write()");
            exit(1);
        }

        sleep(1);

        bzero(buf, BUFSIZ);
        if (read(pipefd[0], buf, BUFSIZ) < 0) {
            perror("write()");
            exit(1);
        }

        printf("%s\n", buf);

        wait(NULL);
    }


    exit(0);
}

父進(jìn)程先給子進(jìn)程發(fā)一個(gè)消息，子進(jìn)程接收到之后打印消息，之后再給父進(jìn)程發(fā)消息，父進(jìn)程再打印從子進(jìn)程接收到的消息。程序執(zhí)行效果：

[zorro@zorro-pc pipe]$ ./pipe_parent_child 
Parent pid is: 8309
Child pid is: 8310
Message from parent: My pid is: 8309
Message from child: My pid is: 8310

從這個(gè)程序中我們可以看到，管道實(shí)際上可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)半雙工通信的機(jī)制。使用同一個(gè)管道的父子進(jìn)程可以分時(shí)給對(duì)方發(fā)送消息。我們也可以看到對(duì)管道讀寫的一些特點(diǎn)，即：

在管道中沒有數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)管道的讀操作會(huì)阻塞，直到管道內(nèi)有數(shù)據(jù)為止。當(dāng)一次寫的數(shù)據(jù)量不超過管道容量的時(shí)候，對(duì)管道的寫操作一般不會(huì)阻塞，直接將要寫的數(shù)據(jù)寫入管道緩沖區(qū)即可。

當(dāng)然寫操作也不會(huì)再所有情況下都不阻塞。這里我們要先來了解一下管道的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)。上文說過，管道實(shí)際上就是內(nèi)核控制的一個(gè)內(nèi)存緩沖區(qū)，既然是緩沖區(qū)，就有容量上限。我們把管道一次最多可以緩存的數(shù)據(jù)量大小叫做PIPESIZE。內(nèi)核在處理管道數(shù)據(jù)的時(shí)候，底層也要調(diào)用類似read和write這樣的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝，這種內(nèi)核操作每次可以操作的數(shù)據(jù)量也是有限的，一般的操作長(zhǎng)度為一個(gè)page，即默認(rèn)為4k字節(jié)。我們把每次可以操作的數(shù)據(jù)量長(zhǎng)度叫做PIPEBUF。POSIX標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)PIPEBUF有長(zhǎng)度限制，要求其最小長(zhǎng)度不得低于512字節(jié)。PIPEBUF的作用是，內(nèi)核在處理管道的時(shí)候，如果每次讀寫操作的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不大于PIPEBUF時(shí)，保證其操作是原子的。而PIPESIZE的影響是，大于其長(zhǎng)度的寫操作會(huì)被阻塞，直到當(dāng)前管道中的數(shù)據(jù)被讀取為止。

在Linux 2.6.11之前，PIPESIZE和PIPEBUF實(shí)際上是一樣的。在這之后，Linux重新實(shí)現(xiàn)了一個(gè)管道緩存，并將它與寫操作的PIPEBUF實(shí)現(xiàn)成了不同的概念，形成了一個(gè)默認(rèn)長(zhǎng)度為65536字節(jié)的PIPESIZE，而PIPEBUF只影響相關(guān)讀寫操作的原子性。從Linux 2.6.35之后，在fcntl系統(tǒng)調(diào)用方法中實(shí)現(xiàn)了F_GETPIPE_SZ和F_SETPIPE_SZ操作，來分別查看當(dāng)前管道容量和設(shè)置管道容量。管道容量容量上限可以在/proc/sys/fs/pipe-max-size進(jìn)行設(shè)置。

#define BUFSIZE 65536

......

ret = fcntl(pipefd[1], F_GETPIPE_SZ);
if (ret < 0) {
    perror("fcntl()");
    exit(1);
}

printf("PIPESIZE: %d\n", ret);

ret = fcntl(pipefd[1], F_SETPIPE_SZ, BUFSIZE);
if (ret < 0) {
    perror("fcntl()");
    exit(1);
}

......

PIPEBUF和PIPESIZE對(duì)管道操作的影響會(huì)因?yàn)楣艿烂枋龇欠癖辉O(shè)置為非阻塞方式而有行為變化，n為要寫入的數(shù)據(jù)量時(shí)具體為：

O_NONBLOCK關(guān)閉，n <= PIPE_BUF：

n個(gè)字節(jié)的寫入操作是原子操作，write系統(tǒng)調(diào)用可能會(huì)因?yàn)楣艿廊萘?PIPESIZE)沒有足夠的空間存放n字節(jié)長(zhǎng)度而阻塞。

O_NONBLOCK打開，n <= PIPE_BUF：

如果有足夠的空間存放n字節(jié)長(zhǎng)度，write調(diào)用會(huì)立即返回成功，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行寫操作?？臻g不夠則立即報(bào)錯(cuò)返回，并且errno被設(shè)置為EAGAIN。

O_NONBLOCK關(guān)閉，n > PIPE_BUF：

對(duì)n字節(jié)的寫入操作不保證是原子的，就是說這次寫入操作的數(shù)據(jù)可能會(huì)跟其他進(jìn)程寫這個(gè)管道的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉。當(dāng)管道容量長(zhǎng)度低于要寫的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的時(shí)候write操作會(huì)被阻塞。

O_NONBLOCK打開，n > PIPE_BUF：

如果管道空間已滿。write調(diào)用報(bào)錯(cuò)返回并且errno被設(shè)置為EAGAIN。如果沒滿，則可能會(huì)寫入從1到n個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，這取決于當(dāng)前管道的剩余空間長(zhǎng)度，并且這些數(shù)據(jù)可能跟別的進(jìn)程的數(shù)據(jù)有交叉。

以上是在使用半雙工管道的時(shí)候要注意的事情，因?yàn)樵谶@種情況下，管道的兩端都可能有多個(gè)進(jìn)程進(jìn)行讀寫處理。如果再加上線程，則事情可能變得更復(fù)雜。實(shí)際上，我們?cè)谑褂霉艿赖臅r(shí)候，并不推薦這樣來用。管道推薦的使用方法是其單工模式：即只有兩個(gè)進(jìn)程通信，一個(gè)進(jìn)程只寫管道，另一個(gè)進(jìn)程只讀管道。實(shí)現(xiàn)為：

[zorro@zorro-pc pipe]$ cat pipe_parent_child2.c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

#define STRING "hello world!"

int main()
{
    int pipefd[2];
    pid_t pid;
    char buf[BUFSIZ];

    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe()");
        exit(1);
    }

    pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork()");
        exit(1);
    }

    if (pid == 0) {
        /* this is child. */
        close(pipefd[1]);

        printf("Child pid is: %d\n", getpid());
        if (read(pipefd[0], buf, BUFSIZ) < 0) {
            perror("write()");
            exit(1);
        }

        printf("%s\n", buf);

    } else {
        /* this is parent */
        close(pipefd[0]);

        printf("Parent pid is: %d\n", getpid());

        snprintf(buf, BUFSIZ, "Message from parent: My pid is: %d", getpid());
        if (write(pipefd[1], buf, strlen(buf)) < 0) {
            perror("write()");
            exit(1);
        }

        wait(NULL);
    }


    exit(0);
}

這個(gè)程序?qū)嶋H上比上一個(gè)要簡(jiǎn)單，父進(jìn)程關(guān)閉管道的讀端，只寫管道。子進(jìn)程關(guān)閉管道的寫端，只讀管道。整個(gè)管道的打開效果最后成為下圖所示：

此時(shí)兩個(gè)進(jìn)程就只用管道實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單工通信，并且這種狀態(tài)下不用考慮多個(gè)進(jìn)程同時(shí)對(duì)管道寫產(chǎn)生的數(shù)據(jù)交叉的問題，這是最經(jīng)典的管道打開方式，也是我們推薦的管道使用方式。另外，作為一個(gè)程序員，即使我們了解了Linux管道的實(shí)現(xiàn)，我們的代碼也不能依賴其特性，所以處理管道時(shí)該越界判斷還是要判斷，該錯(cuò)誤檢查還是要檢查，這樣代碼才能更健壯。

FIFO

命名管道在底層的實(shí)現(xiàn)跟匿名管道完全一致，區(qū)別只是命名管道會(huì)有一個(gè)全局可見的文件名以供別人open打開使用。再程序中創(chuàng)建一個(gè)命名管道文件的方法有兩種，一種是使用mkfifo函數(shù)。另一種是使用mknod系統(tǒng)調(diào)用，例子如下：

[zorro@zorro-pc pipe]$ cat mymkfifo.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{

    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "Argument error!\n");
        exit(1);
    }

/*
    if (mkfifo(argv[1], 0600) < 0) {
        perror("mkfifo()");
        exit(1);
    }
*/
    if (mknod(argv[1], 0600|S_IFIFO, 0) < 0) {
        perror("mknod()");
        exit(1);
    }

    exit(0);
}

我們使用第一個(gè)參數(shù)作為創(chuàng)建的文件路徑。創(chuàng)建完之后，其他進(jìn)程就可以使用open()、read()、write()標(biāo)準(zhǔn)文件操作等方法進(jìn)行使用了。其余所有的操作跟匿名管道使用類似。需要注意的是，無論命名還是匿名管道，它的文件描述都沒有偏移量的概念，所以不能用lseek進(jìn)行偏移量調(diào)整。

讀到這里，這篇“l(fā)inux管道是什么及怎么使用”文章已經(jīng)介紹完畢，想要掌握這篇文章的知識(shí)點(diǎn)還需要大家自己動(dòng)手實(shí)踐使用過才能領(lǐng)會(huì)，如果想了解更多相關(guān)內(nèi)容的文章，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。