一文吃透Linux无名管道，看完秒懂

就拿一个简单的场景来说，当我们想在一个充满各种文件的目录中，找出所有名字包含 “test” 的文件，该怎么做呢？可能你会想到先用ls命令列出当前目录下的所有文件和文件夹，然后自己一个个去寻找。但这样效率太低啦！这时管道就派上用场了，我们可以使用ls | grep test这个命令。在这里，ls命令会列出当前目录下的所有文件和文件夹，而 “|” 这个管道符号，就像是一根神奇的管子，把ls命令的输出，原封不动地输送给了后面的grep命令。grep命令呢，就会在接收到的这些输出中，去查找包含 “test” 的内容，并把它们筛选出来展示给我们。这样一来，是不是方便又快捷？

再比如，我们有一个存储了很多日志信息的文件，现在想要统计其中出现 “error” 的行数。如果没有管道，我们可能需要先手动筛选出包含 “error” 的日志行，然后再去数行数，这是个相当繁琐的过程。但借助管道，我们只需要使用cat log.txt | grep "error" | wc -l这一条命令就可以轻松搞定。cat log.txt负责读取日志文件的内容，通过管道传递给grep "error"，grep "error"会从接收到的内容中过滤出包含 “error” 的行，接着再通过管道把这些筛选出来的行传递给wc -l，wc -l会统计这些行的数量，最后把结果返回给我们，整个过程一气呵成。

从这些简单的例子中，我们可以看到，管道就像是一个数据的搬运工，把一个命令的输出精准地送到另一个命令的输入口，让不同的命令能够协同工作，大大提高了我们在 Linux 系统中处理各种任务的效率。但这仅仅是管道功能的冰山一角，接下来，让我们深入了解一下管道中更为基础和重要的无名管道吧。

二、无名管道：IPC 的神秘元老

在 UNIX 系统的进程间通信（IPC，Inter - Process Communication）的大家庭中，无名管道（Unnamed Pipe）绝对是一位资历深厚的元老级成员。它是 UNIX 系统中最古老的 IPC 形式，从 UNIX 系统诞生之初便已存在，见证了操作系统的一次次变革与发展。

尽管如今新的 IPC 技术层出不穷，但无名管道凭借其简单高效的特性，依然在现代 Linux 系统中占据着不可或缺的地位。它就像是一位低调的幕后英雄，默默地为进程之间的通信贡献着力量，许多看似复杂的系统任务，在无名管道的助力下得以高效完成。无论是在系统底层的服务进程之间，还是在用户层的一些简单脚本应用中，都能看到无名管道忙碌的身影。

三、探秘无名管道的特性

（一）独特的文件特质

无名管道是一种非常特殊的存在，它虽然没有实际的文件实体，却拥有文件的特质，具备读操作和写操作的能力。这就好比一个虚拟的文件，虽然你在文件系统中找不到它的身影，但它却实实在在地存在于内存中，并且能够像文件一样被读写。

与之形成对比的是有名管道，有名管道在文件系统中是有实体文件的，通过路径名就可以访问到它，就像我们平常访问普通文件一样。而无名管道则像是一位 “隐者”，没有具体的名字和文件实体，只能通过特定的方式 —— 文件描述符来操作它。在 C 语言中，我们可以使用pipe函数来创建无名管道，这个函数会返回两个文件描述符，一个用于读，一个用于写。就像下面这样：

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

这里的pipefd是一个包含两个元素的整数数组，pipefd[0]代表读端的文件描述符，pipefd[1]代表写端的文件描述符。通过这两个文件描述符，我们就可以对无名管道进行读写操作，就如同在操作一个普通文件一样，只不过这个 “文件” 隐藏得更深，只存在于内存这个神秘的空间里。

（二）单向字节流的奥秘

无名管道的数据传递方向是单向的，这意味着数据只能从管道的一端写入，从另一端读出，就像一条单行道，车辆只能朝着一个方向行驶。而且，它是半双工的通信模式，在同一时刻，数据只能在一个方向上流动，不能同时进行双向传输。这就好比对讲机，你说话的时候对方不能说，对方说话的时候你就得听着，不能同时进行语音传输。

为了更好地理解无名管道的这种单向字节流特性，我们可以将其类比为双指针环形队列。在双指针环形队列中，有一个读指针和一个写指针。写指针负责将数据写入队列，读指针负责从队列中读取数据。当写指针写入数据时，数据会按照顺序依次存储在队列中；而读指针读取数据时，也会按照写入的顺序依次取出数据。无名管道也是如此，数据从写端写入后，会按照先入先出（FIFO）的规则，被读端依次读取出来。

比如，我们有一个程序，父进程创建了一个无名管道，然后创建了子进程。父进程关闭读端，只保留写端，子进程关闭写端，只保留读端。父进程通过写端向管道中写入数据 “Hello, Pipe!”，子进程通过读端从管道中读取数据，那么子进程读取到的数据一定是 “Hello, Pipe!”，而且是按照写入的顺序完整地读取出来。这种单向字节流的特性，保证了数据传输的有序性和稳定性。

（三）特殊的使用限制

无名管道有一个比较特殊的使用限制，那就是它只能用于有亲缘关系的进程间通信。所谓有亲缘关系的进程，通常指的是父子进程或者兄弟进程。这是为什么呢？

这是因为无名管道的创建是基于当前进程的，当一个进程调用pipe函数创建无名管道时，会得到两个文件描述符。而通过fork函数创建子进程时，子进程会继承父进程的文件描述符，这样父子进程就可以通过这两个文件描述符来共享同一个无名管道，从而实现进程间的通信。

例如，下面这段代码展示了父子进程通过无名管道进行通信的过程：

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

int main() {

int pipefd[2];

pid_t pid;

char buf[1024];

// 创建无名管道

if (pipe(pipefd) == -1) {

perror("pipe");

exit(EXIT_FAILURE);

}

// 创建子进程

pid = fork();

if (pid == -1) {

perror("fork");

exit(EXIT_FAILURE);

} else if (pid == 0) { // 子进程

close(pipefd[1]); // 关闭写端

ssize_t nbytes = read(pipefd[0], buf, sizeof(buf));

if (nbytes == -1) {

perror("read");

exit(EXIT_FAILURE);

}

printf("子进程读取到的数据: %s\n", buf);

close(pipefd[0]); // 关闭读端

} else { // 父进程

close(pipefd[0]); // 关闭读端

const char *msg = "Hello, child!";

ssize_t nbytes = write(pipefd[1], msg, strlen(msg));

if (nbytes == -1) {

perror("write");

exit(EXIT_FAILURE);

}

close(pipefd[1]); // 关闭写端

wait(NULL); // 等待子进程结束

}

return 0;

}

在这段代码中，父进程先创建了无名管道，然后通过fork创建了子进程。子进程关闭了写端，父进程关闭了读端。父进程通过写端向管道中写入数据 “Hello, child!”，子进程通过读端从管道中读取数据，并将其打印出来。正是因为子进程继承了父进程的文件描述符，所以它们能够共享同一个无名管道，实现通信。而对于没有亲缘关系的进程来说，它们无法获取到同一个无名管道的文件描述符，自然也就无法通过无名管道进行通信了。

四、实战：创建与使用无名管道

（一）pipe 函数的魔法

在 Linux 系统中，创建无名管道的重任就落在了pipe函数的肩上。pipe函数就像是一个神奇的管道制造机，它的原型如下：

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

这个函数的功能是创建一个无名管道，它会返回两个文件描述符，这两个文件描述符就像是打开管道大门的钥匙，被存储在pipefd这个包含两个元素的整数数组中。其中，pipefd[0]对应着管道的读端，就像一个数据的出口，从这里可以读取管道中传递的数据；pipefd[1]对应着管道的写端，如同数据的入口，数据从这里写入管道