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六十天Linux从0到项目搭建（第二十二天）（pipe、管道四种场景）

news 来源：原创 2025/7/1 19:50:16

1 关于 pipe 系统调用的解析

int pipe(int pipefd[2]) 是 Unix/Linux 系统中用于创建匿名管道的系统调用。以下是关于管道特点的详细解释：

输出型参数

  • pipefd[2] 是输出型参数，调用成功后：

    • pipefd[0] 存放管道的读取端文件描述符

    • pipefd[1] 存放管道的写入端文件描述符

管道通信特点

  1. 单向通信：

    • 管道本质上是半双工通信的一种特殊情况

    • 虽然可以通过创建两个管道实现全双工通信，但单个管道本身是单向的

  2. 文件本质：

    • 管道在内核中表现为一个特殊的文件

    • 文件描述符的生命周期随进程结束而结束

    • 管道的生命周期也随进程结束而终止

  3. 使用场景：

    • 主要用于具有"血缘关系"的进程间通信(IPC)

    • 常用于父子进程通信

    • 因为是匿名管道，没有名字，只能通过继承文件描述符的方式共享

  4. 读写特性：

    • 读写次数不需要严格匹配

    • 写入和读取的次数没有强相关性

    • 数据以字节流形式传输

  5. 同步机制：

    • 管道具有内置的同步机制

    • 当管道为空时，读取操作会阻塞

    • 当管道满时，写入操作会阻塞

    • 这种特性使得读写进程能够协调工作

补充说明

  • 命名管道(FIFO)与匿名管道的区别在于它有文件系统中的名称，可用于无亲缘关系进程间通信

  • 管道的缓冲区大小有限(通常为几KB)，超出时会阻塞写入

  • 所有写入端关闭后，读取会返回EOF(读取返回0)

  • 所有读取端关闭后，写入会产生SIGPIPE信号

2.管道通信的四种典型场景分析

1. 读取完毕后的等待

  • 场景：读取端已经读取完管道中的所有数据

  • 行为：如果写入端没有新数据写入，读取操作会阻塞等待

  • 原因：这是管道的内置同步机制，避免忙等待

  • 解除阻塞条件：写入端写入新数据或关闭写入端

2. 管道写满的情况

  • 场景：写入端将管道缓冲区写满(通常4KB-64KB不等，取决于系统)

  • 行为：

    • 继续写入操作会阻塞

    • 直到读取端读取部分数据腾出空间

  • 特殊情况：如果写入端设置为非阻塞模式，写满时会立即返回EAGAIN错误

3. 写端关闭后的读取

  • 场景：写端关闭且管道数据已全部读取完毕

  • 行为：

    • 再次读取时read()会返回0

    • 这表示到达了"文件结束"(EOF)

  • 意义：这是进程间通信的正常终止信号

4. 读端关闭后的写入(危险场景)

  • 场景：读端已关闭，但写端仍在尝试写入

  • 行为：

    • 操作系统认为这是无意义的操作

    • 内核会向写入进程发送SIGPIPE信号(信号编号13)

    • 默认情况下该信号会终止进程

  • 编程建议：

    • 应该处理SIGPIPE信号或检查write()的返回值

    • write()会返回-1且设置errno为EPIPE

重要补充

  • 这些行为保证了管道通信的健壮性和资源有效性

  • 在实际编程中，应该考虑：

    1. 正确处理阻塞/非阻塞模式

    2. 检查所有系统调用的返回值

    3. 考虑使用select()/poll()等多路复用机制

    4. 必要时处理SIGPIPE信号避免意外终止

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