Linux管道

管道技术是Linux的一种基本的进程间通信技术。在本文中，我们将为读者介绍管道技术的模型，匿名管道和命名管道技术的定义和区别，以及这两种管道的创建方法。同时，阐述如何在应用程序和命令行中通过管道进行通信的详细方法。

1、管道技术模型

管道技术是Linux操作系统中由来已久的一种进程间通信机制。所有的管道技术，无论是半双工的匿名管道，还是命名管道，它们都是利用FIFO排队模型来指挥进程间的通信。对于管道，我们可以形象地把它们当作是连接两个实体的一个单向连接器。例如，请看下面的命令：

ls -1 | wc -l

该命令首先创建两个进程，一个对应于ls –1，另一个对应于wc –l。然后，把第一个进程的标准输出设为第二个进程的标准输入（如图1所示）。它的作用是计算当前目录下的文件数量。

图1：管道示意图

如上图所示，前面的例子实际上就是在两个命令之间建立了一根管道（有时我们也将之称为命令的流水线操作）。第一个命令ls执行后产生的输出作为了第二个命令wc的输入。这是一个半双工通信，因为通信是单向的。两个命令之间的连接的具体工作是由内核来完成的。下面我们将会看到，除了命令之外，应用程序也可以使用管道进行连接。

2、信号和消息的区别

我们知道，进程间的信号通信机制在传递信息时是以信号为载体的，但管道通信机制的信息载体是消息。

那么信号和消息之间的区别在哪里呢？

首先，在数据内容方面，信号只是一些预定义的代码，用于表示系统发生的某一状况；消息则为一组连续语句或符号，不过

量也不会太大。在作用方面，信号担任进程间少量信息的传

送，一般为内核程序用来通知用户进程一些异常情况的发生；消息则用于进程间交换彼此的数据。

在发送时机方面，信号可以在任何时候发送；消息则不可以在任何时刻发送。在发送者方面，信号不能确定发送者是谁；消息则知道发送者是谁。在发送对象方面，信号是发给某个进程；消息则是发给消息队列。在处理方式上，信号可以不予理会；消息则是必须处理的。在数据传输效率方面，信号不适合进大量的信息传输，因为它的效率不高；消息虽然不适合大量的数据传送，但它的效率比信号强，因此适于中等数量的数据传送。

3、管道和命名管道的区别

我们知道，命名管道和管道都可以在进程间传送消息，但它们也是有区别的。

匿名管道技术只能用于连接具有共同祖先的进程，例如父子进程间的通信，它无法实现不同用户的进程间的信息共享。再者，管道不能常设，当访问管道的进程终止时，管道也就撤销。这些限制给它的使用带来不少限制，但是命名管道却克服了这些限制。

命名管道也称为FIFO，是一种永久性的机构。FIFO文件也具有文件名、文件长度、访问许可权等属性，它也能像其它Linux 文件那样被打开、关闭和删除，所以任何进程都能找到它。换句话说，即使是不同祖先的进程，也可以利用命名管道进行通信。

如果想要全双工通信，那最好使用Sockets API。下面我们分别介绍这两种管道，然后详细说明用来进行管道编程的编程接口和系统级命令。

4、管道编程技术

在程序中利用管道进行通信时，根据通信主体大体可以分为两种情况：一种是具有共同祖先的进程间的通信，比较简单；另一种是任意进程间通信，相对较为复杂。下面我们先从较为简单的进程内通信开始介绍。

涉及的函数：

在利用管道技术进行编程时，主要用到三个函数：

pipe函数：该函数用于创建一个新的匿名管道。

mkfifo函数：该函数用于创建一个命名管道（fifo）。

dup函数：该函数用于拷贝文件描述符。[ˈdju:plikit]

当然，在管道通信过程中还用到其它函数。需要注意的是，管道无非就是一对文件描述符，因此任何能够操作文件描述符的函数都可以使用管道。这包括但不限于这些函数：select、read、write、 fcntl、freopen，等等。

pipe(建立管道)

#include

int pipe(int filedes[2]);

函数说明

pipe()会建立管道,并将文件描述符由参数 filedes 数组返回。

filedes[0]为管道里的读取端，用read调用，

filedes[1]则为管道的写入端。

返回值:若成功则返回零,否则返回-1，错误原因存于 errno 中。错误代码:

EMFILE 进程已用完文件描述词最大量。

ENFILE 系统已无文件描述词可用。

EFAULT 参数 filedes 数组地址不合法。

write （向打开的设备或文件中写数据)

#include

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数说明：

fd：要进行写操作的文件描述词。

buf：需要输出的缓冲区

count：最大输出字节计数

read（从打开的设备或文件中读取数据)

#include

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数说明：

count是请求读取的字节数，读上来的数据保存在缓冲区buf

中。

返回值：

成功返回读取的字节数，出错返回-1并设置errno，如果在调read之前已到达文件末尾，则这次read返回0。注意返回值类型是ssize_t，表示有符号的size_t。

read函数返回时，返回值说明了buf中前多少个字节是刚读上来的。有些情况下，实际读到的字节数（返回值）会小于请求读的字节数count，例如：读常规文件时，在读到count个字节之前已到达文件末尾。例如，距文件末尾还有30个字节而请求读100个字节，则read返回30，下次read将返回0。

从终端设备读，通常以行为单位，读到换行符就返回了。

mkfifo（建立具名管道）

mkfifo函数的作用是在文件系统中创建一个文件，该文件用于提供FIFO功能，即命名管道。前边讲的那些管道都没有名字，因此它们被称为匿名管道，或简称管道。对文件系统来说，匿名管道是不可见的，它的作用仅限于在同进程内、或父子进程进程间进行通信。而命名管道是一个可见的文件，因此，它可以用于任何两个进程之间的通信，不管这两个进程是不是父子进程，也不管这两个进程之间有没有关系。mkfifo函数的原型如下所示：

#include