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管道技術是Linux的一種基本的進程間通信技術。在本文中，我們將為讀者介紹管道技術的模型，匿名管道和命名管道技術的定義和區別，以及這兩種管道的創建方法。同時，闡述如何在應用程序和命令行中通過管道進行通信的詳細方法。
一、管道技術模型
管道技術是Linux操作系統中歷來已久的一種進程間通信機制。所有的管道技術，無論是半雙工的匿名管道，還是命名管道，它們都是利用FIFO排隊模型來指揮進程間的通信。對于管道，我們可以形象地把它們當作是連接兩個實體的一個單向連接器。例如，請看下面的命令：
該命令首先創建兩個進程，一個對應于ls –1，另一個對應于wc –l。然后，把第一個進程的標準輸出設為第二個進程的標準輸入（如圖1所示）。它的作用是計算當前目錄下的文件數量。
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圖1：管道示意圖
如上圖所示，前面的例子實際上就是在兩個命令之間建立了一根管道（有時我們也將之稱為命令的流水線操作）。第一個命令ls執行后產生的輸出作為了第二個命令wc的輸入。這是一個半雙工通信，因為通信是單向的。兩個命令之間的連接的具體工作，是由內核來完成的。下面我們將會看到，除了命令之外，應用程序也可以使用管道進行連接。
二、信號和消息的區別
我們知道，進程間的信號通信機制在傳遞信息時是以信號為載體的，但管道通信機制的信息載體是消息。那么信號和消息之間的區別在哪里呢？
首先，在數據內容方面，信號只是一些預定義的代碼，用于表示系統發生的某一狀況；消息則為一組連續語句或符號，不過量也不會太大。在作用方面，信號擔任進程間少量信息的傳送，一般為內核程序用來通知用戶進程一些異常情況的發生；消息則用于進程間交換彼此的數據。
在發送時機方面，信號可以在任何時候發送；信息則不可以在任何時刻發送。在發送者方面，信號不能確定發送者是誰；信息則知道發送者是誰。在發送對象方面，信號是發給某個進程；消息則是發給消息隊列。在處理方式上，信號可以不予理會；消息則是必須處理的。在數據傳輸效率方面，信號不適合進大量的信息傳輸，因為它的效率不高；消息雖然不適合大量的數據傳送，但它的效率比信號強，因此適于中等數量的數據傳送。
三、管道和命名管道的區別
我們知道，命名管道和管道都可以在進程間傳送消息，但它們也是有區別的。
管道技術只能用于連接具有共同祖先的進程，例如父子進程間的通信，它無法實現不同用戶的進程間的信息共享。再者，管道不能常設，當訪問管道的進程終止時，管道也就撤銷。這些限制給它的使用帶來不少限制，但是命名管道卻克服了這些限制。
命名管道也稱為FIFO，是一種永久性的機構。FIFO文件也具有文件名、文件長度、訪問許可權等屬性，它也能像其它Linux文件那樣被打開、關閉和刪除，所以任何進程都能找到它。換句話說，即使是不同祖先的進程，也可以利用命名管道進行通信。
如果想要全雙工通信，那最好使用Sockets API。下面我們分別介紹這兩種管道，然后詳細說明用來進行管道編程的編程接口和系統級命令。
四、管道編程技術
在程序中利用管道進行通信時，根據通信主體大體可以分為兩種情況：一種是具有共同祖先的進程間的通信，比較簡單；另一種是任意進程間通信，相對較為復雜。下面我們先從較為簡單的進程內通信開始介紹。
1. 具有共同祖先的進程間通信管道編程
為了了解管道編程技術，我們先舉一個例子。在這個例中，我們將在進程中新建一個管道，然后向它寫入一個消息，管道讀取消息后將其發出。代碼如下所示：
示例代碼1：管道程序示例
1: #include <unistd.h>
2: #include <stdio.h>
3: #include <string.h>
4:
5: #define MAX_LINE 80
6: #define PIPE_STDIN 0
7: #define PIPE_STDOUT 1
8:
9: int main()
10: ...{
11: const char *string=...{"A sample message."};
12: int ret, myPipe[2];
13: char buffer[MAX_LINE+1];
14:
15: /**//* 建立管道 */
16: ret = pipe( myPipe );
17:
18: if (ret == 0) ...{
19:
20: /**//* 將消息寫入管道 */
21: write( myPipe[PIPE_STDOUT], string, strlen(string) );
22:
23: /**//* 從管道讀取消息 */
24: ret = read( myPipe[PIPE_STDIN], buffer, MAX_LINE );
25:
26: /**//* 利用Null結束字符串 */
27: buffer[ ret ] = 0;
28:
29: printf("%s\n", buffer);
30:
31: }
32:
33: return 0;
34: }
上面的示例代碼中，我們利用pipe調用新建了一個管道，參見第16行代碼。 我們還建立了一個由兩個元素組成的數組，用來描述我們的管道。我們的管道被定義為兩個單獨的文件描述符，一個用來輸入，一個用來輸出。我們能從管道的一端輸入，然后從另一端讀出。如果調用成功，pipe函數返回值為0。返回后，數組myPipe中存放的是兩個新的文件描述符，其中元素myPipe[1]包含的文件描述符用于管道的輸入，元素myPipe[0] 包含的文件描述符用于管道的輸出。
在第21行代碼，我們利用write函數把消息寫入管道。站在應用程序的角度，它是在向stdout輸出。現在，該管道存有我們的消息，我們可以利用第24行的read函數來讀它。對于應用程序來說，我們是利用stdin描述符從管道讀取消息的。read函數把從管道讀取的數據存放到buffer變量中。然后在buffer變量的末尾添加一個NULL，這樣就能利用printf函數正確的輸出它了。在本例中的管道可以利用下圖解釋：
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圖2：示例代碼1中半雙工管道的示意圖
這個例子中，通信是在具有共同祖先的進程間發生的，即父進程和子進程通信。這樣做局限性太大，但我們只是用它來給讀者一個感性的認識。接下來，我們將介紹更為高級的進程間的管道通信。
2.進程間通信管道編程
在利用管道技術進行編程時，處理要用到上面介紹的pipe函數外，還用到另外三個函數，如下所示。
? pipe函數：該函數用于創建一個新的匿名管道。
? dup函數：該函數用于拷貝文件描述符。
? mkfifo函數：該函數用于創建一個命名管道（fifo）。
當然，在管道通信過程中還用到其它函數，到時我們會加以介紹。需要注意的是，說到底，管道無非就是一對文件描述符，因此任何能夠操作文件操作符的函數都可以使用管道。這包括但不限于這些函數：select、read、write、 fcntl、freopen，等等。
2.1函數pipe
函數pipe用來建立一個新的管道，該管道用兩個文件描述符進行描述。函數pipe的原型如下所示：
#include <unistd.h>
int pipe( int fds[2] );
當調用成功時，函數pipe返回值為0，否則返回值為-1。成功返回時，數組fds被填入兩個有效的文件描述符。數組的第一個元素中的文件描述符供應用程序讀取之用，數組的第二個元素中的文件描述符可以用來供應用程序寫入。
下面我們考察在一個包含多個進程的應用程序中的管道示例。在該程序中（見示例代碼2），第14行用于創建一個管道，然后進程在第16行分叉，變成一個父進程和一個子進程。在子進程中，我們嘗試從（在第18行建立的）管道的輸入描述符讀取，這時該進程將被掛起，直到管道中有可以讀取的內容為止。
讀完后，我們用NULL作為讀取的內容的結束符，這樣的話，讀的這些內容就能使用printf函數正確打印輸出了。父進程先是利用存放在thePipe[1]中的“寫文件標識符”向管道寫入測試字符串，然后就使用wait函數來等待子進程退出。
在我們的這個程序中需要加以注意的是，我們的子進程是如何繼承父進程利用pipe函數建立的文件描述符的，以及如何利用該文件描述符進行通信的。函數fork一旦執行，子進程會繼承父進程的功能和管道的文件描述符，但對于內核來說，父進程和子進程是平等的，它們是獨立運行的。也就是說，兩個進程分別具有單獨的內存空間，它們正是通過pipe函數來互通有無的。
示例代碼2：演示兩個進程間的管道模型的代碼
1: #include <stdio.h>
2: #include <unistd.h>
3: #include <string.h>
4: #include <wait.h>
5:
6: #define MAX_LINE 80
7:
8: int main()
9: ...{
10: int thePipe[2], ret;
11: char buf[MAX_LINE+1];
12: const char *testbuf=...{"a test string."};
13:
14: if ( pipe( thePipe ) == 0 ) ...{
15:
16: if (fork() == 0) ...{
17:
18: ret = read( thePipe[0], buf, MAX_LINE );
19: buf[ret] = 0;
20: printf( "Child read %s\n", buf );
21:
22: } else ...{
23:
24: ret = write( thePipe[1], testbuf, strlen(testbuf) );
25: ret = wait( NULL );
26:
27: }
28:
29: }
30:
31: return 0;
32: }
需要注意的是，在這個示例程序中我們沒有說明如何關閉管道，因為一旦進程結束，與管道有關的資源將被自動釋放。盡管如此，為了養成一種良好的編程習慣，最好利用close調用來關閉管道的描述符，如下所示：
ret = pipe( myPipe );
...
close( myPipe[0] );
close( myPipe[1] );
如果管道的寫入端關閉，但是還有進程嘗試從管道讀取的話，將被返回0，用來指出管道已不可用，并且應當關閉它。如果管道的讀出端關閉，但是還有進程嘗試向管道寫入的話，試圖寫入的進程將收到一個SIGPIPE信號，至于信號的具體處理則要視其信號處理程序而定了。
2.2 dup函數和dup2函數
dup和dup2也是兩個非常有用的調用，它們的作用都是用來復制一個文件的描述符。它們經常用來重定向進程的stdin、stdout和stderr。這兩個函數的原型如下所示：
#include <unistd.h>
int dup( int oldfd );
int dup2( int oldfd, int targetfd )
利用函數dup，我們可以復制一個描述符。傳給該函數一個既有的描述符，它就會返回一個新的描述符，這個新的描述符是傳給它的描述符的拷貝。這意味著，這兩個描述符共享同一個數據結構。例如，如果我們對一個文件描述符執行lseek操作，得到的第一個文件的位置和第二個是一樣的。下面是用來說明dup函數使用方法的代碼片段：
int fd1, fd2;
...
fd2 = dup( fd1 );
需要注意的是，我們可以在調用fork之前建立一個描述符，這與調用dup建立描述符的效果是一樣的，子進程也同樣會收到一個復制出來的描述符。
dup2函數跟dup函數相似，但dup2函數允許調用者規定一個有效描述符和目標描述符的id。dup2函數成功返回時，目標描述符（dup2函數的第二個參數）將變成源描述符（dup2函數的第一個參數）的復制品，換句話說，兩個文件描述符現在都指向同一個文件，并且是函數第一個參數指向的文件。下面我們用一段代碼加以說明：
int oldfd;
oldfd = open("app_log", (O_RDWR | O_CREATE), 0644 );
dup2( oldfd, 1 );
close( oldfd );
本例中，我們打開了一個新文件，稱為“app_log”，并收到一個文件描述符，該描述符叫做fd1。我們調用dup2函數，參數為oldfd和1，這會導致用我們新打開的文件描述符替換掉由1代表的文件描述符（即stdout，因為標準輸出文件的id為1）。任何寫到stdout的東西，現在都將改為寫入名為“app_log”的文件中。需要注意的是，dup2函數在復制了oldfd之后，會立即將其關閉，但不會關掉新近打開的文件描述符，因為文件描述符1現在也指向它。
下面我們介紹一個更加深入的示例代碼。回憶一下本文前面講的命令行管道，在那里，我們將ls –1命令的標準輸出作為標準輸入連接到wc –l命令。接下來，我們就用一個C程序來加以說明這個過程的實現。代碼如下面的示例代碼3所示。
在示例代碼3中，首先在第9行代碼中建立一個管道，然后將應用程序分成兩個進程：一個子進程（第13–16行）和一個父進程（第20–23行）。接下來，在子進程中首先關閉stdout描述符（第13行），然后提供了ls –1命令功能，不過它不是寫到stdout（第13行），而是寫到我們建立的管道的輸入端，這是通過dup函數來完成重定向的。在第14行，使用dup2函數把stdout重定向到管道（pfds[1]）。之后，馬上關掉管道的輸入端。然后，使用execlp函數把子進程的映像替換為命令ls –1的進程映像，一旦該命令執行，它的任何輸出都將發給管道的輸入端。
現在來研究一下管道的接收端。從代碼中可以看出，管道的接收端是由父進程來擔當的。首先關閉stdin描述符（第20行），因為我們不會從機器的鍵盤等標準設備文件來接收數據的輸入，而是從其它程序的輸出中接收數據。然后，再一次用到dup2函數（第21行），讓stdin變成管道的輸出端，這是通過讓文件描述符0（即常規的stdin）等于pfds[0]來實現的。關閉管道的stdout端（pfds[1]），因為在這里用不到它。最后，使用execlp函數把父進程的映像替換為命令wc -1的進程映像，命令wc -1把管道的內容作為它的輸入（第23行）。
示例代碼3：利用C實現命令的流水線操作的代碼
1: #include <stdio.h>
2: #include <stdlib.h>
3: #include <unistd.h>
4:
5: int main()
6: ...{
7: int pfds[2];
8:
9: if ( pipe(pfds) == 0 ) ...{
10:
11: if ( fork() == 0 ) ...{
12:
13: close(1);
14: dup2( pfds[1], 1 );
15: close( pfds[0] );
16: execlp( "ls", "ls", "-1", NULL );
17:
18: } else ...{
19:
20: close(0);
21: dup2( pfds[0], 0 );
22: close( pfds[1] );
23: execlp( "wc", "wc", "-l", NULL );
24:
25: }
26:
27: }
28:
29: return 0;
30: }
在該程序中，需要格外關注的是，我們的子進程把它的輸出重定向的管道的輸入，然后，父進程將它的輸入重定向到管道的輸出。這在實際的應用程序開發中是非常有用的一種技術。
2.3 mkfifo函數
mkfifo函數的作用是在文件系統中創建一個文件，該文件用于提供FIFO功能，即命名管道。前邊講的那些管道都沒有名字，因此它們被稱為匿名管道，或簡稱管道。對文件系統來說，匿名管道是不可見的，它的作用僅限于在父進程和子進程兩個進程間進行通信。而命名管道是一個可見的文件，因此，它可以用于任何兩個進程之間的通信，不管這兩個進程是不是父子進程，也不管這兩個進程之間有沒有關系。Mkfifo函數的原型如下所示：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo( const char *pathname, mode_t mode );
mkfifo函數需要兩個參數，第一個參數（pathname）是將要在文件系統中創建的一個專用文件。第二個參數（mode）用來規定FIFO的讀寫權限。Mkfifo函數如果調用成功的話，返回值為0；如果調用失敗返回值為-1。下面我們以一個實例來說明如何使用mkfifo函數建一個fifo，具體代碼如下所示：
int ret;
...
ret = mkfifo( "/tmp/cmd_pipe", S_IFIFO | 0666 );
if (ret == 0) ...{
// 成功建立命名管道
} else ...{
// 創建命名管道失敗
}
在這個例子中，利用/tmp目錄中的cmd_pipe文件建立了一個命名管道（即fifo）。之后，就可以打開這個文件進行讀寫操作，并以此進行通信了。命名管道一旦打開，就可以利用典型的輸入輸出函數從中讀取內容。舉例來說，下面的代碼段向我們展示了如何通過fgets函數來從管道中讀取內容：
pfp = fopen( "/tmp/cmd_pipe", "r" );
...
ret = fgets( buffer, MAX_LINE, pfp );
我們還能向管道中寫入內容，下面的代碼段向我們展示了利用fprintf函數向管道寫入的具體方法：
pfp = fopen( "/tmp/cmd_pipe", "w+ );
...
ret = fprintf( pfp, "Here’s a test string!\n" );
對命名管道來說，除非寫入方主動打開管道的讀取端，否則讀取方是無法打開命名管道的。Open調用執行后，讀取方將被鎖住，直到寫入方出現為止。盡管命名管道有這樣的局限性，但它仍不失為一種有效的進程間通信工具。
上面介紹的是與管道有關的一些系統調用，下面介紹管道命令相關的系統命令。
五、與管道相關的系統命令
現在開始，我們來研究與進程間通信密切相關的一些系統命令。首先介紹的是mkfifo命令，它的功能與mkfifo系統調用相似，只不過它是用來在命令行中建立一個命名管道。
在命令行下建立fifo的專用文件，即命名管道的常用方法有兩個，mkfifo命令便是其中之一。mkfifo命令的一般用法如下所示：
這里的options一般為-m，即模式，用以指出讀寫權限；name是要創建的管道的名稱，必要時可以加上路徑。如果我們沒有規定權限，該命令會采取默認值0644。這里以一個具體實例來說明如何在/tmp目錄下面建立一個稱為cmd_pipe的命名管道：
下面用例子說明如何給命名管道指定讀寫權限。這里我們先將前面建立的管道刪掉，然后重新建立管道，并指定管道的權限為0644，當然您也可以指定其他權限：
$ rm cmd_pipe
$ mkfifo -m 0644 /tmp/cmd_pipe
上面的權限一經建立，就能夠在命令行行下通過此管道進行通信了。比如，可以在一個終端上，利用cat命令來讀取管道：
當輸入該命令后，我們的進程就會被掛起，等待寫入程序打開此管道。現在，在另一個終端上利用echo命令向這個命名管道寫入：
這個命令結束后，要讀取該管道的程序（即cat）將被喚醒，然后結束。為醒目起見，這里列出完整的讀取方（也就是讀取管道的程序）輸入的命令和得到的結果：
由此看來，命名管道不僅在C程序中非常有用，而且在腳本中作用也很大。當然，如果組合使用，效果也是很好的。
除了mkfifo命令外，mknod命令也可以用來創建命名管道，其用法如下所示：
該命令執行后，將在當前目錄下創建一個命名管道cmd_pipe，p用于指出建立的是命名管道。
六、小結
在這篇文章中，我們介紹了管道和命名管道的概念，詳細的說明了應用程序和命令行創建管道的方法，以及通過它們進行通信的I/O機制。然后，討論了如何利用dup和 dup2命令來進行輸入輸出重定向。我們希望本文能夠幫您更好的了解Linux下的管道技術。