代码运行及测试环境：linux centos7.6
在阅读这篇文章时，需要掌握OS对文件管理的基础知识（文件打开表、文件描述符、索引结点…）

前言

我们都知道进程是具有独立性的，意味着进程之间无法相互通信。但在一些情况下，不得不让进程之间进行通信。通信的作用主要有：

数据的传输。
数据的共享。
控制其他进程。

数据的传输、共享是非常容易理解的。为什么需要一个进程去控制另一个进程呢？做一个虚拟的假设，进程A负责检测地铁进站，进程B负责打开地铁门。进程B一直处于休眠状态，当进程A检测出地铁到站停靠后，进程A可以唤醒进程B，打开地铁门。可见，让一个进程去控制另外一个进程，在日常生活中是非常频繁的，也是十分重要的。

如果要让两个相互独立的进程进行通信，那它们之间需要一个媒介。OS提供了这个媒介，并且对它们之间的通信进行管理。根据OS提供媒介的不同，产生了许多进程间通信的方式，例如：共享内存、消息队列、管道等等。我在这篇文章里只谈论管道通信——匿名管道。

匿名管道的底层原理

首先强调匿名管道只能用于 具有“血缘关系”的进程之间的通信。

当用户请求建立匿名管道时，操作系统会为进程创建一个管道文件，这个文件它并不需要文件名，因为OS建立管道文件后，就会直接把它的文件属性拷贝到打开文件表的一个条目内，用户可以获取到对应的文件描述符，进而读写管道。
在这里插入图片描述
它会让俩个相邻的打开文件表表项同时指向这个管道文件的inode，是为了读写操作分离，一个文件描述符对应的是写入操作，另一个文件描述符对应的是读取操作。

虽然匿名管道的本质是一个文件，但和普通文件有许多差别。从另外一个角度来看，匿名管道更偏向于解释成一块缓冲区。用户并不是直接将数据写入磁盘上的数据块，也不会直接从磁盘上读取数据出来，而是以内核缓冲区为媒介。
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由OS再去调用数据从内核缓冲区写入磁盘和读到内核缓冲区的接口。

那么匿名管道是如何实现具有血缘关系的进程之间的通信呢？以父子进程间的管道通信为例。
在这里插入图片描述
首先父进程创建一个管道，再创建子进程，子进程的PCB是以父进程为模板的，父子进程此刻的打开文件表是一样的，所以父进程文件打开表有两个表项指向管道，子进程打开文件表也有两个表项指向该管道，并且文件描述符此刻是一样的。这样，相互独立的两个父子进程看到了同一份资源——“管道”，管道自然而然充当了它们通信的媒介。

管道通信是单向通信的，只允许一端进行写入，另一端进行读取。如果要实现管道通信，需要根据情况，关闭对应的读写端。

匿名管道创建过程

我们将上述的过程简化一下
🍍第一步：父进程创建匿名管道
在这里插入图片描述
🥑第二步：父进程创建出子进程

🍉第三步：根据需要，关闭对应的读端和写端
（这里以父进程写入，子进程读取为例）

匿名管道的几种情况

创建匿名管道的系统调用pipe

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
//pipefd是一个输出型参数：
//pipefd[0]对应读端的文件描述符 pipefd[1]对应写端
//如果创建管道成功返回0，否则返回-1

简单写一个父进程读取管道、子进程写数据进管道的例子。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main(void)
{//1.创建管道int pipefd[2];if(pipe(pipefd) != 0){perror("pipe");exit(-1);}//2.父进程创建出子进程if(fork() == 0){//child//3.1 让子进程写入数据进入管道 ，关闭读端close(pipefd[0]);const char *str = "i am ydy.";while(1){write(pipefd[1], str, strlen(str));sleep(1);}}else{//father//3.2 父进程从匿名管道种读取数据， 关闭写端close(pipefd[1]);while(1){char buffer[64] = {0};ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));if(s < 0){//读取失败break;}else if(s == 0){//写端关闭，且数据读取完毕printf("child quit...\n");break;}else{printf("child say# %s\n", buffer);}}}waitpid(-1, NULL, WNOHANG);return 0;
}

匿名管道的几种情况：
🌻读端读得慢，写端写得快
🌼读端读得快，写端写得慢
💐写端在写入数据，读端突然关闭
🌷读端在读取数据，写端突然关闭

这几种情况的特点，可以自行检测得出，我在这里直接写结论，当然这些结论的正确性我在此之前都用代码检验过了，毕竟“实践是检验真理的唯一标准”。

🌻读端读得慢，写端写得快

管道内有数据，读端就可以读取。由于写端写得比较快，所以按照趋势下去，管道一定会满。管道满了以后，写端进程会被阻塞，等待读端读取数据。你可能认为，管道满了后，读端读取一份数据，写端就会写入数据，事实并不是这样。实际上，写进程一旦被阻塞，只有管道能够提供一定的空闲空间大小（这个大小具体我并不知道是多少，在我的机子上跑，测出来的是至少是1kb）后，写进程才会被唤醒。

🌼读端读得快，写端写得慢

由于写的速度赶不上读取的速度，所以管道极可能某个时刻没有数据。读进程会被阻塞，等待写进程写入数据，直到管道有数据。

💐写端在写入数据，读端突然关闭

管道的作用就是为了让两个进程通信，读端关闭了，写进程又不需要拿取数据，所以读进程不在，管道就没有意义了。所以读端关闭，写进程也会退出。

🌷读端在读取数据，写端突然关闭

写端关闭了，管道内可能还会有数据。读进程是需要拿数据的，管道里的东西还有用，所以读端把数据全部读完后，读进程再退出。

读进程读取得慢，写进程写入得快，会出现这种现象的原因本质上是因为管道是有大小的，在Linux往管道写入64KB数据的时候，写进程就不再写入了，而超过4KB的时候，OS就不再保证管道的写入具有原子性了。对于一端关闭的现象，间接阐述了管道机制必须要有确定对方存在的协调能力。

匿名管道特点

仅限具有血缘关系的进程使用
根据匿名管道的创建过程可知，匿名管道的本质是一个文件，没有文件名，由用户请求，OS帮助建立后，直接把文件属性拷贝到进程的打开文件表内。血缘关系的进程PCB都是以“父进程”模板创建的，所以子进程以及有血缘关系的进程，打开文件表内都有关于匿名管道的属性。由于没有文件名，其他进程无法自行打开文件，因此非血缘关系的进程间无法使用匿名管道。
匿名管道的生命周期是随进程的
因为下一次，进程无法打开上一个管道文件（没有文件名）。
管道是单向通信的。
管道是面向字节流的
管道机制必须能够拥有互斥、同步和确定对方存在的协调能力