Linux之匿名管道和命名管道详解_Linux

匿名管道

kubectl get pod -a | grep mysql

上面命令行里的「|」竖线就是一个管道，在命令行（如 linux shell 或 windows cmd/powershell）中，管道操作符 | 的作用是将 前一个命令的标准输出（stdout） 传递给 后一个命令的标准输入（stdin）。但它默认 不会传递标准错误（stderr），这是它的核心行为特点。

1. 管道|的基本行为

command1 | command2

command1 的 stdout → 作为 command2 的 stdin。
command1 的 stderr → 直接打印到终端，不会传递给 command2。

示例 1（stdout 被管道传递）

# ls 成功时，stdout（文件列表）会传递给 grep
ls /usr/bin | grep "python"

示例 2（stderr 未被管道传递）

# 如果目录不存在，错误信息会直接显示，不会传递给 grep
ls /nonexistent_dir | grep "error"

输出：

ls: cannot access '/nonexistent_dir': no such file or directory

（错误信息直接显示，grep 不会处理它）

2. 为什么|不处理 stderr

设计初衷：| 的职责是传递 正常输出，错误信息通常需要直接反馈给用户。
分离数据流：stdout（正常输出）和 stderr（错误信息）是独立的流，| 默认只操作 stdout。

3. 原理

int pipe(int fd[2])

这里表示创建一个匿名管道,并返回了两个描述符,一个是管道的读取端描述符,另一个是管道的写入端描述符fd。注意,这个匿名管道是特殊的文件,只存在于内存,不存于文件系统中。

在这里插入图片描述

所谓的管道，就是内核里面的一串缓存。从管道的一段写入的数据，实际上是缓存在内核中的，另一端读取，也就是从内核中读取这段数据。另外，管道传输的数据是无格式的流且大小受限。

管道只能一端写入，另一端读出，所以上面这种模式容易造成混乱，因为父进程和子进程都可以同时写入，也都可以读出。那么，为了避免这种情况，通常的做法是：

父进程关闭读取的 fd[o]，只保留写入的 fd[1];
子进程关闭写入的fd[1],只保留读取的 fd[o];

在这里插入图片描述

在shell 里面执行 a | b 命令的时候，a 进程和 b 进程都是shell 创建出来的子进程，a 和 b 之间不存在父子关系，它俩的父进程都是 shell。

请添加图片描述

命名管道

简介

匿名管道，它的通信范围是存在父子关系的进程。因为管道没有实体，也就是没有管道文件,只能通过fork来复制父进程 fd文件描述符,来达到通信的目的。
对于命名管道,它可以在不相关的进程间也能相互通信。因为命令管道,提前创建了一个类型为管道的设备文件，在进程里只要使用这个设备文件，就可以相互通信。
不管是匿名管道还是命名管道,进程写入的数据都是缓存在内核中，另一个进程读取数据时候自然也是从内核中获取,同时通信数据都遵循先进先出原则,不支持iseek之类的文件定位操作。

使用

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

创建 fifo

使用 mkfifo 命令或 mkfifo() 函数创建：

mkfifo /tmp/myfifo  # 创建一个名为 /tmp/myfifo 的 fifo

pathname：fifo 的文件路径（如 /tmp/myfifo）。
mode：权限（如 0644，表示用户可读写，其他人只读）。

fifo 的特点

半双工通信

同一时间只能读或写，不能同时读写（类似单行道）。
示例：

# 终端1：写入数据
echo "hello" > /tmp/myfifo

# 终端2：读取数据
cat /tmp/myfifo  # 输出 "hello"

阻塞机制

如果没有进程在读，写操作会卡住，直到有进程来读。
如果没有进程在写，读操作会卡住，直到有进程来写。

数据是流式的

数据像水流一样，读完后会消失，不能像普通文件那样随意跳转（lseek 无效）。

如何使用 fifo？

（1）命令行测试

# 终端1：监听 fifo（读）
cat /tmp/myfifo

# 终端2：发送数据（写）
echo "hello fifo" > /tmp/myfifo

终端1 会显示 hello fifo。

（2）c 语言示例

#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    mkfifo("/tmp/myfifo", 0644);  // 创建 fifo

    int fd = open("/tmp/myfifo", o_wronly);  // 以写方式打开
    write(fd, "hello", 6);  // 写入数据
    close(fd);

    return 0;
}

常见问题

q1: fifo 和普通文件有什么区别？

fifo 是 内存中的管道，数据读完就没了；普通文件会持久化存储。

q2: fifo 和匿名管道（|）有什么区别？

匿名管道只能用于 父子进程，fifo 可用于 任意进程。

q3: 如果 fifo 已经存在，再创建会怎样？

mkfifo 会失败，并提示 file exists。

原理

1. 普通文件 vs. 命名管道（fifo）

普通文件（如 a.txt）：

数据存储在磁盘上，打开时会加载到内存。
修改后需要 写回磁盘（刷盘）。
多个进程打开同一文件时，数据可能不同步（除非加锁）。

命名管道（fifo）：

本质是一个 内存缓冲区，只是伪装成文件（磁盘上只有文件名，没有实际数据块）。
数据 不写入磁盘，直接在进程间流动。
专为 进程间通信（ipc） 设计，速度快。

2. 命名管道的工作原理

（1）创建 fifo

当执行 mkfifo /tmp/myfifo 时：

磁盘上创建一个 空文件（只有 inode，没有数据块）。
操作系统内核维护一个 内存缓冲区（用于存储进程间传递的数据）。

（2）进程 a 写入数据

echo "hello" > /tmp/myfifo

进程 a 打开 fifo 以写方式（o_wronly）。
数据 "hello" 被写入内核的 内存缓冲区（不刷盘！）。
如果 没有进程在读取，进程 a 会阻塞（卡住），直到有进程来读。

（3）进程 b 读取数据

cat /tmp/myfifo

进程 b 打开 fifo 以读方式（o_rdonly）。
从内核缓冲区读取 "hello"，数据被消费（缓冲区清空）。
如果 没有进程在写入，进程 b 会阻塞，直到有进程写入。

3. 关键点解析

（1）文件描述符与内核结构

每个进程打开 fifo 时，内核会 复用同一个 struct file（通过引用计数 ref 管理）。

第一次打开时创建 struct file，ref=1。
第二个进程打开时，ref=2（指向同一个内存缓冲区）。
关闭时 ref--，ref=0 时内核才释放资源。

（2）为什么数据不刷盘？

fifo 的 设计目的 是进程间通信，数据不需要持久化。
刷盘会 拖慢速度，且毫无意义（通信完数据即可丢弃）。

（3）半双工通信

同一时间只能 单向流动（读或写）。
如果需要双向通信，需创建 两个 fifo（一个负责 a→b，一个负责 b→a）。

4. 类比理解

把 fifo 想象成 一条水管：

写入端：进程 a 往水管里倒水（数据）。

读取端：进程 b 从水管接水（数据）。

特性：

水管没有储水功能（数据不持久化）。
如果没人接水，倒水的人会等待（阻塞写入）。
如果没人倒水，接水的人会等待（阻塞读取）。

总结

特性	命名管道（fifo）	普通文件
存储位置	内存缓冲区	磁盘
刷盘	永不刷盘	定期刷盘
多进程访问	共享同一缓冲区	可能数据不同步
阻塞行为	读/写会阻塞	无阻塞
用途	进程间通信	数据存储