1. 为什么需要 IPC

进程是程序执行的过程，操作系统会为每个进程分配独立的内存资源与 CPU 资源。Linux 通过虚拟内存和 MMU（内存管理单元）实现了进程之间的隔离：A 进程无法直接访问 B 进程的内存空间，这保证了安全性和权限管理。

但实际开发中，进程与进程之间往往存在数据共享或交换的需求。于是就有了 IPC（Interprocess Communication，进程间通信）。

IPC 的常见种类大致可以分为三类：

• 古老的通信方式：无名管道、有名管道、信号
• System V IPC 对象：消息队列、共享内存、信号量集
• socket 通信：用于网络通信

本文只聚焦其中最基础、也最常用的两种：无名管道和有名管道。

2. 管道的本质

管道的底层实现是队列。它有几个共同特性，理解这些特性对后面写代码非常关键：

1. 管道是半双工的工作模式，实际编程中通常当作单工使用（一端只读、一端只写）。
2. 所有管道都是特殊文件，不支持定位操作（lseek 对管道无效）。
3. 管道读写首选文件 IO（open、read、write、close），也可以使用带缓冲区的标准 IO（fgets、fread、fgetc）。

3. 无名管道（unnamed pipe）

无名管道只能用于有亲缘关系的进程之间通信（典型场景是父子进程），因为它没有文件名，无法被无关进程通过路径打开。

3.1 创建无名管道

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

• 功能：创建并打开一个无名管道
• 参数：pipefd[0] 是固定的读端，pipefd[1] 是固定的写端
• 返回值：成功返回 0，失败返回 -1

3.2 编程顺序

创建管道 → fork 出子进程 → 父子进程分别读写管道 → 关闭管道。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(void)
{
    int fd[2];
    if (pipe(fd) == -1) {
        perror("pipe");
        return -1;
    }

    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        /* 子进程：关闭读端，只写 */
        close(fd[0]);
        const char *msg = "hello from child";
        write(fd[1], msg, strlen(msg));
        close(fd[1]);
    } else if (pid > 0) {
        /* 父进程：关闭写端，只读 */
        close(fd[1]);
        char buf[128] = {0};
        ssize_t n = read(fd[0], buf, sizeof(buf) - 1);
        if (n > 0) {
            printf("parent recv: %s\n", buf);
        }
        close(fd[0]);
    }

    return 0;
}

3.3 管道的四种典型行为

1. 读端存在，一直写：写入超过 64K 后，写操作会阻塞（写得太快）。
2. 写端存在，读空管道：管道为空时读操作会阻塞（读得太快）。
3. 管道破裂：读端已关闭，此时再写管道，会导致写端进程退出（收到 SIGPIPE）。
4. 写端关闭：read 返回 0，表示进程间通信结束。

4. 有名管道（FIFO）

有名管道在文件系统中可见，有文件名，因此可以用于任意单机进程之间的通信，不要求有亲缘关系。

4.1 创建有名管道

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

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

• 功能：在指定路径下创建一个权限为 mode 的有名管道文件
• 参数：pathname 为路径 + 名称，mode 为八进制文件权限
• 返回值：成功返回 0，失败返回 -1

4.2 编程步骤

创建有名管道 → 打开有名管道 → 读写管道 → 关闭管道 → 卸载（删除）有名管道。

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

int main(void)
{
    const char *fifo = "/tmp/myfifo";

    /* 创建有名管道，若已存在则忽略错误 */
    if (mkfifo(fifo, 0666) == -1) {
        perror("mkfifo");
    }

    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        /* 子进程写 */
        int fd = open(fifo, O_WRONLY);
        const char *msg = "hello fifo";
        write(fd, msg, strlen(msg));
        close(fd);
    } else if (pid > 0) {
        /* 父进程读 */
        int fd = open(fifo, O_RDONLY);
        char buf[128] = {0};
        read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
        printf("parent recv: %s\n", buf);
        close(fd);
    }

    unlink(fifo);
    return 0;
}

4.3 与无名管道的异同

有名管道的读写特性与无名管道完全一致，唯一的额外特性是：如果有一端没有打开，open 函数会阻塞，直到另一端也被打开为止。

5. 无名管道与有名管道对比

对比项	无名管道	有名管道
创建函数	pipe()	mkfifo()
文件系统中是否可见	否	是
适用进程	有亲缘关系的进程	任意单机进程
打开方式	创建即打开	需要 open
半双工	是	是
支持定位	否	否
一端未打开时	不涉及	open 阻塞

6. 小结

• 管道底层是队列，半双工、不支持定位，读写优先使用文件 IO。
• 无名管道用 pipe() 创建，只能用于有亲缘关系的进程，通常配合 fork 使用。
• 有名管道用 mkfifo() 创建，在文件系统中可见，可用于任意单机进程，但一端未打开时 open 会阻塞。
• 使用管道时要注意读写阻塞、管道破裂（SIGPIPE）以及写端关闭后 read 返回 0 这几种边界情况。