应用——管道与文件描述符

一、管道（Pipe）

1. 基本概念

• 管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动。

• 只能在具有亲缘关系的进程之间使用。

• 管道本质上是一个内核缓冲区，通过文件描述符进行读写操作。

• 包括读端fd[0]和写端fd[1]。

2. 创建管道

int fd[2]; pipe(fd);

3. 读阻塞（Read Blocking）

• 如果管道为空，读操作会阻塞，直到有数据写入。

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> int main(int argc, char **argv) { int fd[2]={0}; int ret = pipe(fd); if(-1 == ret) { perror("pipe error\n"); return 1; } pid_t pid = fork(); if(pid>0) { close(fd[0]); int i = 3; while(i--) { printf("father 准备数据\n"); sleep(1); } char buf[1024]="hello ,son"; write(fd[1],buf,strlen(buf)); close(fd[1]); } else if(0== pid) { close(fd[1]); char buf[1024]={0}; // 读阻塞 示例 read(fd[0],buf,sizeof(buf)); printf("father say:%s\n",buf); close(fd[0]); } else { perror("fork"); return 1; } return 0; }

• 子进程调用read时，父进程尚未写入数据，子进程阻塞等待。

• 父进程睡眠3秒后写入数据，子进程才继续执行。

4. 写阻塞（Write Blocking）

• 如果管道缓冲区满，写操作会阻塞，直到有空间写入。

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> int main(int argc, char **argv) { int fd[2]={0}; int ret = pipe(fd); if(-1 == ret) { perror("pipe error\n"); return 1; } pid_t pid = fork(); if(pid>0) { close(fd[0]); char buf[1024]={0}; memset(buf,'a',sizeof(buf)); int i = 0 ; // 写阻塞 示例 for(i=0;i<65;i++) { write(fd[1],buf,sizeof(buf)); printf("%d\n",i); } close(fd[1]); } else if(0== pid) { close(fd[1]); while(1) { sleep(1); } close(fd[0]); } else { perror("fork"); return 1; } return 0; }

• 父进程循环写入数据，直到管道满，后续写入会阻塞。

• 子进程不读数据，导致写端持续阻塞。

5. 管道破裂（Broken Pipe）

• 当读端关闭，写端继续写入时，会触发SIGPIPE信号，默认行为是终止进程。

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> int main(int argc, char **argv) { int fd[2] = {0}; int ret = pipe(fd); if (-1 == ret) { perror("pipe error\n"); return 1; } pid_t pid = fork(); if (pid > 0) { close(fd[0]); sleep(3); char buf[1024] = "hello ,son"; //管道破裂 gdb 查看 //Program received signal SIGPIPE, Broken pipe write(fd[1], buf, strlen(buf)); printf("--------------\n"); close(fd[1]); } else if (0 == pid) { close(fd[1]); close(fd[0]); exit(1); } else { perror("fork"); return 1; } return 0; }

• 子进程关闭了读端，父进程写入数据时触发管道破裂。

6. 读取管道结束（EOF）

• 当写端关闭，读端读取完所有数据后，read返回0，表示管道结束。

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> int main(int argc, char **argv) { int fd[2] = {0}; int ret = pipe(fd); if (-1 == ret) { perror("pipe error\n"); return 1; } pid_t pid = fork(); if (pid > 0) { close(fd[0]); char buf[1024] = "hello ,son"; write(fd[1], buf, strlen(buf)); close(fd[1]); exit(0); } else if (0 == pid) { close(fd[1]); sleep(3); while (1) { char buf[1024] = {0}; int ret = read(fd[0], buf, sizeof(buf)); // ret ==0 enf of pipe if(ret<=0) { break; } printf("father say:%s\n", buf); } close(fd[0]); } else { perror("fork"); return 1; } return 0; }

• 父进程写入数据后关闭写端。

• 子进程读取数据，当read返回0时，退出循环。

7. 管道复制文件

• 管道可用于父子进程间传递大量数据，如文件复制。

示例代码：

#include <fcntl.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> int main(int argc, char **argv) { int fd[2] = {0}; int ret = pipe(fd); if (-1 == ret) { perror("pipe error\n"); return 1; } pid_t pid = fork(); if (pid > 0) { close(fd[0]); int src_fd = open("/home/linux/1.png", O_RDONLY); if (-1 == src_fd) { perror("open src"); return 1; } while (1) { char buf[1024] = {0}; int rd_ret = read(src_fd, buf, sizeof(buf)); if(rd_ret<=0) { break; } write(fd[1], buf, rd_ret); } close(fd[1]); close(src_fd); } else if (0 == pid) { close(fd[1]); int dst_fd = open("2.png",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666); if (-1 == dst_fd) { perror("open dst"); return 1; } while(1) { char buf[1024]={0}; int rd_ret = read(fd[0],buf,sizeof(buf)); if(rd_ret<=0) { break; } write(dst_fd,buf,rd_ret); } close(fd[0]); close(dst_fd); } else { perror("fork"); return 1; } return 0; }

• 父进程读取文件内容，通过管道传递给子进程。

• 子进程从管道读取数据并写入目标文件。

二、命名管道（FIFO）

1. 基本概念

• FIFO 是一种命名管道，存在于文件系统中。

• 可用于无亲缘关系的进程间通信。

• 使用mkfifo创建 FIFO 文件。

2. 创建 FIFO

mkfifo("myfifo", 0666);

3. 读写阻塞特性

• 读端先打开：会阻塞，直到写端打开。

• 写端先打开：会阻塞，直到读端打开。

示例代码：

• 写端程序

  #include <fcntl.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <sys/stat.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> int main(int argc, char **argv) { int ret = mkfifo("myfifo", 0666); if (-1 == ret) { // 如果是文件已存在的错误，程序就继续运行 if (EEXIST == errno) { } else //如果是其他的错误，进程结束 { perror("mkfifo"); return 1; } } // open 会阻塞， //写段先运行 ，写段会等读段出现， // 读段先运行 ，读段会等写段出现， int fd = open("myfifo", O_WRONLY); if (-1 == fd) { perror("open"); return 1; } char buf[] = "hello,friend...\n"; write(fd, buf, strlen(buf) + 1); close(fd); return 0; }

• 读端程序

  #include <errno.h> #include <fcntl.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <sys/stat.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main(int argc, char **argv) { int ret = mkfifo("myfifo", 0666); if (-1 == ret) { // 如果是文件已存在的错误，程序就继续运行 if (EEXIST == errno) { } else //如果是其他的错误，进程结束 { perror("mkfifo"); return 1; } } // open 会阻塞， //写段先运行 ，写段会等读段出现， // 读段先运行 ，读段会等写段出现， int fd = open("myfifo", O_RDONLY); if (-1 == fd) { perror("open"); return 1; } char buf[1024] = {0}; read(fd, buf, sizeof(buf)); printf("fifo_w:%s\n", buf); close(fd); // remove("myfifo"); return 0; }

4. 错误处理

• 如果 FIFO 已存在，mkfifo会失败，errno为EEXIST，通常忽略该错误。

三、文件描述符与 FILE* 转换

1.fileno：从 FILE* 获取文件描述符

FILE *fp = fopen("/etc/passwd", "r"); int fd = fileno(fp);

示例代码：

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> int main(int argc, char **argv) { FILE* fp = fopen("/etc/passwd","r"); if(NULL== fp) { perror("fopen"); return 1; } //fgets/fputs // FILE* -> int int fd = fileno(fp); char buf[100]={0}; read(fd,buf,sizeof(buf)-1); printf("%s",buf); fclose(fp); return 0; }

• 使用fopen打开文件得到FILE*。

• 使用fileno获取对应的文件描述符，用于read等系统调用。

2.fdopen：从文件描述符获取 FILE*

int fd = open("/etc/passwd", O_RDONLY); FILE *fp = fdopen(fd, "r");

示例代码：

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> int main(int argc, char **argv) { int fd = open("/etc/passwd",O_RDONLY); if(-1== fd) { perror("open"); return 1; } //read /write char buf[100]={0}; FILE* fp = fdopen(fd,"r") ; if(NULL == fp) { perror("fdopen"); return 1; } fgets(buf,sizeof(buf),fp); printf("buf :%s",buf); fclose(fp); return 0; }

• 使用open打开文件得到文件描述符。

• 使用fdopen转换为FILE*，用于fgets等标准 I/O 函数。

四、总结

注意事项：

• 管道通信时，及时关闭不需要的文件描述符。

• 注意处理 SIGPIPE 信号，避免进程意外终止。

• FIFO 使用时注意读写端的阻塞与同步。

• 文件描述符与 FILE* 可以相互转换，便于混合使用系统调用和标准 I/O。