Linux IPC：匿名管道 与 命名管道

  进程间通信方式有多种，本文介绍的是管道，管道分为匿名管道和命名管道。

一、管道的理解

  生活中的管道用来传输资源，例如水、石油之类的资源。而进程间通信的管道传输的是数据，管道的使用场景就是数据传输。

 管道的特性：

• 半双工通信
• 先进先出

  半双工通信：数据可以沿两个方向发送，但是同一时间一个管道中只允许向一个方向发送数据，也可以称之为可以选择方向的单向通信。但实际使用管道的时候，方向一旦确定就不再更改了。就类似于家里的自来水管，自来水只会从水厂传输到家里，而不是从家里把水传输到水厂。

  先进先出：先发送的数据先被接收，数据的发送顺序就是数据的接受顺序，就像队列一样，先进先出。（注意：管道中数据不能一直无限的写入，是有大小限制的）

  如图：发送顺序是：1、2、3、4，接受顺序也是：1、2、3、4。

管道的本质：

  内核中的一块缓冲区，而缓冲区就是内核空间中的一块内存，这块内存被用来进行进程间通信。

管道的分类：

• 匿名管道
• 命名管道

二、匿名管道

理解匿名管道：

 （1）内核中的缓冲区（也就是管道）没有标识符（注意和文件标识符区分开，这两不是一个东西），只能用于具有亲缘关系的进程间通信。

 （2）因为标识符是一个管道的名字，一个管道如果没有名字，自然就是匿名管道。

匿名管道如何实现具有亲缘关系的进程间通信？

 （1）在Linux中，系统在操作管道的时候，是把管道当作文件来进行操作的，因此管道都有对应的文件描述符。父进程先创建匿名管道，然后再创建子进程，这样父子进程就可以使用这个匿名管道来通信。

 （2）因为父进程创建了匿名管道后，系统是把这个管道当作文件进行处理的，因此会有对应的文件描述符（文件描述符就是一个文件在fd_arr数组中的下标），文件描述符会占据数组中的最小未使用的下标。

 （3）父进程创建子进程后，子进程会复制父进程pcb中的大部分信息，其中就包含了fd_arr[]数组，因此子进程也会得到文件描述符的相关信息。虽然子进程会初始化页表和虚拟空间，但不会修改pcb中和IO相关的信息。

 （4）子进程复制fd_arr[]数组后，也就知道了这个管道的操作句柄，有了这个操作句柄，父子进程就可以访问同一个匿名管道了。

三、命名管道

理解命名管道：

 （1）内核中缓冲区具有标识符，也就是这个管道有名字。

 （2）标识符是一个可见于文件系统的特殊管道文件，多个进程通过打开同一个标识符文件，就可以访问同一块内核中的缓冲区（命名管道）。

  如图：管道文件标识符test.fifo（这是一个文件），进程通过这个文件来访问内核中的缓冲区（命名管道）。即便是没有亲缘关系的进程，也可以通过它来访问内核中的同一块缓冲区（命名管道）。

四、管道的通信流程

  进程A要把数据通过管道发送给进程B，就首先要把数据拷贝一份放到内核空间的管道中（第一次拷贝）。然后进程B从内核空间的管道中把这个数据再拷贝一次带回来（第二次拷贝），这样才能拿到这个数据。

  因此使用管道传输数据时，需要经历两次拷贝。

五、管道的特性

1. 管道中的数据是一次性的，读取后就没有了，空间就被腾出来了。
2. 如果管道中没有数据，读端（read）默认会阻塞，直到读取到了数据后才会返回。
3. 如果管道中数据写满了，写端（write）默认会阻塞，直到数据被读出，管道中有了空闲空间才可以继续写入数据。
4. 管道的读写是一种字节传输服务，数据会在缓冲区堆积，并且遵循先进先出原则（类似于队列的先进先出）。
5. 如果管道所有写端被关闭，读端（read）读完所有数据后，如果继续读取数据将不再是阻塞而是返回0。（管道中read返回0，最主要表示没人写数据了，你继续等着读数据没啥意义）
6. 若管道所有读端被关闭，写端（write）继续写入数据，则触发异常，退出程序。
7. 管道在写入数据时，如果数据大小不超过PIPE_BUF大小，保证原子操作，防止数据混乱。（原子操作：要么这个操作一次性完成无法被打断，要么不做这个操作）
8. 自带同步与互斥，使得数据的读取和写入更加合理。
9. 生命周期随进程，当进程结束后，管道也就会被关闭。

  注意：如果父子进程都打开了这个管道，那么只有当父子进程对于这个管道的写端全都被关闭，读端在读完缓冲区后，才会返回0。