「Linux 系统编程」命名管道（FIFO）、文件实现进程通信

1 命名管道（FIFO）

管道（匿名管道）是一种半双工的通信方式，适用于有血缘关系的进程（例如，父子进程、兄弟进程）。但是，如果要实现两个无血缘关系进程间的通信呢？

命名管道（FIFO），它解决了普通管道只能用于血缘关系进程的问题。FIFO 在文件系统中以 一个特殊的文件形式 存在，不同进程可以通过该文件进行通信。

命名管道（FIFO） 的核心特点：

是一个 有名称的文件实体
半双工通信（数据单向流动）
内核缓冲，不存储磁盘数据。FIFO 文件 在磁盘上不占用数据块，它只是一个索引节点（inode），用于 指向内核中的一块缓冲区。所有数据传输都发生在内核内存中，因此速度比读写真实磁盘文件快得多。
阻塞式 I/O 行为（默认）
- 读操作：如果管道为空，读进程会被阻塞，直到有数据写入。
- 写操作：如果管道已满（内核缓冲区满），写进程会被阻塞，直到有读进程取走数据。
进程生命周期独立。FIFO 一旦被创建，就会 持续存在于文件系统中，直到被显式删除（如使用 unlink() 系统调用或 rm 命令）。它的存在不依赖于任何打开它的进程。

2 命名管道创建

2.1 命令方式创建

Linux 和 Unix 系统提供了一个名为 mkfifo 的命令行工具，专门用于创建命名管道。

1	`mkfifo [选项] <命名管道名称>`

常用选项：-m，--mode=MODE，即设置管道的权限模式（类似于 chmod），例如 -m 0666

示例：

在当前目录下创建一个名为 myfifo1 的管道：

1	`mkfifo myfifo1`

在指定的目录（例如 /home/marisa/fifo_test）创建一个名为 myfifo2 的管道：

1	`mkfifo -m 0666 /home/marisa/fifo_test/myfifo2`

注意：权限 666 确保了其他非创建者的用户进程也有权限读写这个管道。

创建成功后，使用 ls -l 命令查看。命名管道文件的类型标识是 p（代表 pipe）：

2.2 在程序中创建

在 C 语言程序中，我们使用 mkfifo() 系统函数来创建命名管道。这种方式提供了更大的灵活性，可以在程序逻辑中动态地创建和管理管道。

函数原型：

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

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

参数说明：

pathname：创建的命名管道 FIFO 文件的路径
mode：指定命名管道 FIFO 文件的权限位。通常会被系统的 umask 值所修改，最终权限是 (mode & ~umask)。例如，如果 mode 设为 0666，umask 是 0022，那么最终权限就是 0644 (rw-r–r–)。

返回值：

成功：返回 0。
失败：返回 -1，设置 errno。

示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>

int main() {
    char* fifo_name = "./myfifo3";

    // 尝试创建FIFO
    if (mkfifo(fifo_name, 0666) == -1) {
        // 如果错误原因是“文件已存在”，我们可以直接使用它，不算错误。
        if (errno != EEXIST) {
            perror("mkfifo failed");
            exit(EXIT_FAILURE);
        } else {
            printf("FIFO already exists, using it.\n");
        }
    } else {
        printf("FIFO created successfully.\n");
    }

    // 可以添加后续的 open, read/write 等操作
    // 例如： int fd = open(fifo_name, O_WRONLY);
    //        write(fd, "Hello", 6);

    // 程序结束时可以选择是否删除FIFO
    // unlink(fifo_name);

    return 0;
}

程序方式的特点：

动态创建：可以根据程序运行时的条件和需要来决定是否创建、以及创建哪个管道。
错误处理：可以优雅地处理“文件已存在”等情况，决定是直接使用还是报错。
资源管理：程序可以在退出前使用 unlink() 删除管道文件，完成自动清理。

2.3 命名管道进程通信示例

创建两个无血缘关系的进程，一个负责写入数据，另一个负责读取数据。

写者进程 write_process.c：

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

int main() {
    int fd = open("./myfifo1", O_WRONLY); // 打开对应的命名管道文件

    char* msg = "This is writer Alice Margatroid.\n";
    write(fd, msg, strlen(msg));

    close(fd);

    return 0;
}

读者进程 read_process.c：

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

int main() {
    char buf[1024];
    int fd = open("./myfifo1", O_RDONLY); // 注意打开的命名管道一致

    int bytes = read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
    buf[bytes] = '\0'; // 添加终止符
    printf("reader Kirisame Marisa get message: %s\n", buf);
    
    close(fd);
    
    return 0;
}

运行方式：

创建命名管道文件 myfifo1
先运行读者进程（此时命名管道还未写入数据，读者进程会阻塞等待）
再运行写者进程

也可以多个写进程可以向同一个 FIFO 写入数据，读进程会按顺序读取所有写入的内容。或者，一个写进程写数据，多个读进程从同一个 FIFO 读取数据。注意：数据一旦被读取就会从管道中移除。一个写进程写、多个读进程读，这些读进程读取的数据都是不同的。

3 命名管道进程通信的原理

命名管道（FIFO）之所以能实现无血缘关系进程间的通信，是因为它在文件系统中拥有一个 全局可见的、有名字 的 “入口点”（即特殊的管道文件）。这个文件名成为了所有想通信的进程之间一个预先约定好的 “联络点”。

3.1 命名管道和匿名管道的根本区别

匿名管道：

通过 pipe() 系统调用创建。它 只存在于内核内存 中，不会在磁盘的文件系统里创建一个可见的文件。它只返回两个文件描述符（一个读端，一个写端）。由于没有名字，其他进程无法“找到”它。它的 文件描述符只能通过 fork() 由父进程传递给子进程，因此通信范围被严格限制在了有血缘关系的进程之间。

比喻：就像父子俩在家里私下约定了一个暗号。外人不知道这个暗号，甚至不知道这个暗号的存在，所以无法加入对话。
命名管道：

通过 mkfifo() 系统调用创建。它不仅 在内核中创建了数据缓冲区，更重要的是它在文件系统的目录树中 创建了一个确实存在、有名字的文件节点（例如 ./myfifo）。这个文件不存储实际数据，它只是一个标识，一个访问点。

比喻：就像在市中心立了一个所有人都能看到的、写着“公共留言板”的牌子。任何知道这个牌子位置的人（进程），无论他们之间是什么关系，都可以去那里留言（写）或者看留言（读）。

命名管道 在 大小和容量限制 机制上与 匿名管道 完全相同。都使用相同的内核缓冲区机制。

在 Linux 系统中，管道缓冲区的大小默认是 64 KiB、在某些历史版本中，这个值可能是 4 KiB 或 8 KiB。允许管道容量系统上限 pipe-max-size

区别总结：

特性	匿名管道	命名管道
存在形式	仅存在于内存中，没有磁盘索引节点（inode）	在文件系统中有一个名称和索引节点（inode），但不占用磁盘数据块
持久性	随进程的创建而创建，随最后一个使用它的进程的结束而销毁	一旦创建，除非被手动删除（`unlink`），否则会一直存在于文件系统中
访问控制	只能由有亲缘关系的进程（如父子进程、兄弟进程）访问	任何知道其名称的进程都可以访问，无需亲缘关系

3.2 命名管道实现机制

创建联络点：进程调用 mkfifo("./myfifo", 0666)。内核在文件系统中 创建了一个特殊类型的文件 ./myfifo。
打开联络点：
- 进程 A（写者）调用 open("./myfifo", O_WRONLY)。内核找到这个文件节点，知道它是一个 FIFO，然后为它 分配内核缓冲区 并 返回一个文件描述符。
- 进程 B（读者）调用 open("./myfifo", O_RDONLY)。内核发现同一个 FIFO 文件节点，并 让进程 B 的文件描述符指向同一个内核缓冲区。
进程间通信：
- 进程 A 使用 write() 向它的文件描述符写入数据。数据被送入内核缓冲区。
- 进程 B 使用 read() 从它的文件描述符读取数据。数据从同一个内核缓冲区中被取出。

内核的角色：内核负责管理这个共享的缓冲区，并处理所有复杂的同步和阻塞问题。例如，如果读者还没打开，写者先打开，写者会被阻塞，直到读者也打开管道，反之亦然。

3.3 命名管道的特质

全局可见的路径名：文件系统中的路径名（如 /home/myfifo）是一个所有进程都可以访问的全局唯一标识。它充当了一个约定的通信地址，任何知道这个地址的进程都可以尝试连接。
独立于进程的生命周期：这个管道文件一旦被创建，会 一直存在于文件系统中（除非被主动删除），它的存在不依赖于任何一个创建它或使用它的进程。这使得进程可以在不同的时间点、甚至由不同的用户启动，只要它们都能访问这个路径。
内核缓冲区的共享：所有打开这个命名管道的进程，最终通过文件系统，连接到内核中同一块缓冲区。数据的流动是在这块共享的内核缓冲区中进行的，文件本身只是提供了一个访问途径。

4 文件实现进程通信

文件实现进程间通信：多个无血缘关系的进程，可以同时访问该普通文件。

有血缘关系的进程对于同一个文件，使用的同一个文件描述符；
没有血缘关系的进程，对同一个文件使用的文件描述符可能不同。

但是，普通文件 需要占用磁盘空间。两个进程通过一个普通文件进行通信，内核需要先预读取文件到内存中，然后两个进程再进行通信操作。而且，没有默认的阻塞 I/O 行为，可能需要增加锁机制来建立进程同步。

命名管道和普通文件实现非血缘关系进程通信的区别：

特性	命名管道 (FIFO)	普通文件 (Regular File)
数据存储位置	内核内存缓冲区	磁盘块（经页缓存加速）
通信本质	内存间数据传输	磁盘 I/O 操作
速度	快（内存速度）	慢（受磁盘 I/O 限制）
同步机制	内置阻塞/同步（打开、读、写均可阻塞）	无内置同步（需外部机制：如文件锁 `fcntl`）
数据持久性	临时数据进程结束、系统重启后数据丢失	持久化数据数据被永久保存到磁盘上
容量限制	受限于内核缓冲区大小	受限于磁盘空间大小
访问模式	通常是单向顺序访问	可以随机访问（`lseek`）
主要优势	实时性高、延迟低、进程同步简单	数据持久化、进程可随时独立访问
典型应用场景	实时消息传递、日志收集器、生产者-消费者模型	配置共享、数据交换（非实时）、大规模数据处理

选择命名管道 (FIFO)：当你需要实现 高效、实时、低延迟 的进程间通信，并且 数据不需要持久化存储 时。它天然的阻塞特性简化了进程间的同步协调。
选择普通文件：当通信的数据需要 持久化，或者进程不需要同时在线（一个进程写入后，另一个进程可以很久之后再读取），或者需要随机访问数据内容时。

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#Linux

「Linux 系统编程」命名管道（FIFO）、文件实现进程通信

https://marisamagic.github.io/2025/09/06/20250906/

作者

MarisaMagic

发布于

2025年9月6日

许可协议

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