pipe() 系统调用

从概念上讲，管道(pipe)是两个进程之间的连接，它使得一个进程的标准输出成为另一个进程的标准输入。在UNIX操作系统中，管道对于进程之间的通信非常有用。

管道仅是单向通信，一个进程向管道写入，另一个进程则从管道中读取。这是一个被视为“虚拟文件”的主内存区域。

创建的进程及其所有子进程都可以使用管道进行读写。一个进程可以写入这个管道，而另一个相关的进程可以从中读取。

如果管道为空，而且管道的输入口至少有一个进程打开着，那么一个进程试图读取管道的时将会被挂起。

pipe()系统调用在进程的打开文件表中查找前两个可用位置，并将它们分配给管道的读写端。

管道图示

语法

// fd[0]是管道读取端的fd(文件描述符)
// fd[1]是管道写入端的fd
// 成功时返回：0
// 错误时为-1
int pipe(int fds[2]);

管道的行为类似于队列数据结构，是FIFO(先进先出)，而且读写的大小在这里不必匹配。我们一次可以写入512个字节，而在管道另一端一次读取1个字节。

例子1：

// 演示C语言中的pipe()系统调用
#include <stdio.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h>

#define MSG_SIZE 16 
const char *msg1 = "hello, world #1"; 
const char *msg2 = "hello, world #2"; 
const char *msg3 = "hello, world #3"; 

int main()
{ 
    char inbuf[MSG_SIZE]; 
    int p[2], i; 

    // 创建管道
    if (pipe(p) < 0) 
        exit(1); 

    // 写入管道
    write(p[1], msg1, MSG_SIZE); 
    write(p[1], msg2, MSG_SIZE); 
    write(p[1], msg3, MSG_SIZE); 

    for (i = 0; i < 3; i++) { 
        // 从管道中读取
        read(p[0], inbuf, MSG_SIZE); 
        printf("%s\n", inbuf); 
    } 
    return 0; 
} 

输出

hello, world #1
hello, world #2
hello, world #3

例子2

父子共享管道

当我们在任何进程中使用fork时，文件描述符在子进程和父进程之间保持打开状态，如果我们在创建管道后调用fork，那么父进程和子进程就可以通过管道进行通信。

图示

// C程序演示C中父子共享的管道系统调用
#include <stdio.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

#define MSG_SIZE 16 
char* msg1 = "hello, world #1"; 
char* msg2 = "hello, world #2"; 
char* msg3 = "hello, world #3"; 

int main() 
{ 
    char inbuf[MSG_SIZE]; 
    int p[2], pid, nbytes; 

    if (pipe(p) < 0) 
        exit(1); 

    // 父进程中
    if ((pid = fork()) > 0) { 
        write(p[1], msg1, MSG_SIZE); 
        write(p[1], msg2, MSG_SIZE); 
        write(p[1], msg3, MSG_SIZE); 

        // 添加下面一行代码来关闭管道的写入口就不会引起进程挂起
        // close(p[1]); 

        wait(NULL);
        
    // 子进程中
    } else { 
        // 添加下面一行代码来关闭管道的写入口就不会引起进程挂起
        // close(p[1]); 

        while ((nbytes = read(p[0], inbuf, MSG_SIZE)) > 0) 
            printf("s %s\n", inbuf);
        if (nbytes != 0) 
            exit(2); 
        printf("Finished reading\n"); 
    } 

    return 0; 
} 

输出

hello world, #1
hello world, #2
hello world, #3
(hangs)         // 程序不终止但挂起

在这个程序中，完成读/写后，父进程和子进程都会阻塞，而不是终止进程，这就是程序挂起的原因。之所以会发生这种情况，是因为read系统调用获得的数据要么与它请求的数据一样多，要么与管道拥有的数据一样多，两者中取较少的一个。

这样一来，如果管道为空，并且我们调用read系统调用，则在没有进程的写入端打开的情况下，管道上的读取将返回EOF(返回值0)。而如果其他进程打开着管道的写入端，read将阻塞以等待写入端的新数据。

因此此代码输出将挂起，因为write结束但父进程没有关闭管道写入端，子进程因为完全拷贝父进程状态，它的管道输入端也是打开着的，所以当管道内容为空的时候程序将挂起。

思考：如果把上述代码的父进程和子进程的下面代码去掉注释会怎么样? 如果只是注释掉其中的一个又会怎么样?

// 添加下面一行代码来关闭管道的写入口就不会引起进程挂起
close(p[1]);