一、小谈管道历史

关于管道，有这么一句话：

如果说Unix是计算机文明中最伟大的发明，那么，Unix下的Pipe管道就是跟随Unix所带来的另
一个伟大的发明。

管道的出现就是为了使软件开发更加“高内聚，低耦合”。管道的发明者，Malcolm Douglas McIlroy，同时也是Unix创建者及Unix文化缔造者，他的Unix哲学：

程序应该只关注一个目标，并尽可能把它做好。让程序能够互相协同工作。应该让程序处理文本
数据流，因为这是一个通用的接口。

也就是说，管道存在的意义就是让程序能够专注自己的目标，而不同进程之间可以相互通信协作，完成一个更大的目标。比如：在主机上，客户进程可以通过管道给文件服务器进程发送文件名，文件服务器打开文件然后将文件数据通过管道传给客户进程，如此，客户进程和文件服务器相互独立，同时相互协作。这其实不仅仅是管道的特点，同时也是其他进程间通信（IPC）手段的特点。不同的IPC实现各有不同，但是目的、哲学道理都是差不多的。

IPC技术：管道，共享内存，消息队列，信号量，本地套接字等。

管道一般是单向的，半双工的，像花园的软水管，一边进一边出。要想实现全双工，一般需要两条管道。

二、管道基本实现

每个进程都有自己的独立的地址空间，要想实现进程之间的相互通信，必须采取必要的手段: 共享内存或者借助内核。管道的实现就是借助内核。

管道的本质就是内核维护的一段内存。因为linux“一切皆文件”的思想，管道自然而然就被实现为“管道文件”（向普通文件一样管理），隶属管道文件系统pipefs。因此，和普通文件一样，内核负责维护文件的细节，返回给用户进程的只是一个个“文件描述符”，通过文件描述符，进程可以执行打开管道、读写管道的操作。

管道分为两种：无名管道pipe和有名管道FIFO

无名管道pipe

何为无名管道？无名管道就是用户进程只能通过文件描述符fd才能找到的管道，内核没有给其他方式告诉管道在哪里。即没有名字，只有句柄（文件描述符）。一般来讲，文件描述符只会在有亲缘关系的进程间继承，这就限制了无名管道一般只用在有亲缘关系进程间通信。

有名管道FIFO

何为有名管道？有名管道，对比无名管道，它跟实体文件名绑定。任何进程只要知道跟管道绑定的文件名，就可以尝试打开管道并操作。这意味着，有名管道可以使用在没有亲缘关系的进程间通信使用。

三、无名管道pipe

创建无名管道pipe

//原型
    int pipe(int fd[2]);

//例子
    
    int pipefd[2];
    int error = pipe(pipefd); //调用成功，返回两个文件描述符，
    管道只读端pipefd[0]和管道只写端pipefd[1];

无名管道使用（搭配进程fork）

无名管道因其只以文件描述符索引，所以一般的使用方式：

某个祖先进程（父进程）先创建管道，然后fork出若干子进程，父子进程或兄弟进程之间通过继承得到
的管道文件描述符来读写管道，从而达到通信的目的。

//Example:

    int pipefd[2];
    pid_t childpid;

    pipe(pipefd);

    if((childpid = fork()) == 0) {
        //子进程
        //关闭管道读端或写端描述符
        //write or read

        exit(0);
    } else if(childpid > 0){
        //父进程
        //关闭管道写端或读端描述符
        // read or write

        // waitpid()
    } else {
        //fork error
    }

注意点 ：管道的双方要关闭不需要使用到的文件描述符，为什么？这涉及管道读取端如何判断对方已经不再写了？管道写端进程如何判断管道另一头已经没有进程在读了？

当读取端已无进程等待（即fd[0]的引用计数为0 （close））, 此时若有进程对写端继续写，返回EPIPE错误。并产生信号SIGPIPE。
当写端已无进程再继续写（即fd[1]的引用计数为0 （close））, 若管道的数据读完，将返回文件结束符EOF。

因此，为了能够正常判断结束条件，进程要关闭其没有使用的管道文件描述符。

无名管道是不是只能用在用亲缘关系的进程中？

答案是否定的。因为借助本地套接字，可以在进程间传递文件描述符。

popen/pclose

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#include <stdio.h>
FILE *popen(const char* command, const char *type);
int pclose(FILE *stream);

popen行为：fork并执行shell进程，shell进程fork并执行command进程，并返回文件描述符。该文件描述符fd或为读端（管道写端关联到command进程的标准输出），或为写端（管道读端关联到command进程的标准输入）。这取决与popen是以读模式还是以写模式打开。

四、命名管道FIFO

创建管道

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int mkfifo(const char* path, mode_t mode);
// 成功，创建一个新的FIFO
// 返回EEXIST错误（指定文件名的FIFO已经存在）

参数：

path: 文件路径名
mode: 文件权限位

创建管道用mkfifo，打开管道用open

调用mkfifo成功创建管道后，其他进程可以通过open相应的“文件名”从而获取管道，进行读或写。

五、管道属性

管道的打开行为、读写行为

管道open和O_NONBLOCK

管道默认是阻塞的。和普通文件描述符一样，任何时候可以通过fcntl（瑞士军刀）设置成非阻塞。

管道阻塞， open + O_RDONLY : 此时没有进程为写打开，则阻塞。
管道阻塞， open + O_WRONLY ：此时没有进程为读打开，则阻塞。
管道非阻塞， open + O_RDONLY : 无论有没有进程为写打开，立即返回。
管道非阻塞， open + O_WRONLY ：没有读进程，则返回-1，errno = ENXIO。

管道读写

阻塞、空管道或FIFO，read：有写进程，阻塞到有数据；无写进程，返回EOF；
非阻塞、空管道或FIFO，read: 有写进程，返回EAGAIN；无写进程，返回EOF；
阻塞、管道或FIFO，write: 有读进程，见下文；无读进程，返回SIGPIPE；
非阻塞、管道或FIFO，write: 有读进程，见下文；无读进程，返回SIGPIPE；

管道写行为、PIPEBUF、原子性

管道有一特点，尽力保证写入的原子性：

如果请求写入的数据字节数小于等于PIPE_BUF，那么write操作保证是原子的。大于PIPE_BUF，则不保证。

如此，在非阻塞情况下：

请求写入字节数小于等于PIPE_BUF:
- 当前管道空间足够，则直接写入；
- 当前管道空间不够，为保证原子性，先返回EAGAIN，告诉进程稍后尝试；
请求写入字节数大于PIPE_BUF：
- 当前管道空间至少还有1字节，直接写相应字节数，返回；
- 当前管道满，返回EAGAIN。

PIPE_BUF的大小可以通过fcntl来设置。

从上面的讨论可以看出，管道的读写需要一些技巧。所谓“管道有大小，写入需谨慎”。

一次写入数据量不超过PIPE_BUF，以保证写入是原子的。即使存在多个进程同时读，也不会被打断。
写端不要大量输入，会造成阻塞。
读端，要及时读取，避免造成写入阻塞。