【Linux】Linux 管道面试必看：特性、通信情景、SIGPIPE 处理
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文章目录
- Linux管道：核心特性与通信情景
- 一、管道的5个核心特性
- 1. 自带同步机制
- 2. 面向字节流
- 3. 单向通信
- 4. 生命周期随进程
- 基于血缘关系的通信
- 二、管道通信的4种实际情景
- 1. 情景1：写慢，读快
- 2. 情景2：写快，读慢
- 3. 情景3：写端关闭，继续读
- 4. 情景4：读端关闭，写继续
Linux管道：核心特性与通信情景
管道是Linux进程间通信的“轻量工具”，就像进程间传数据的“临时水管”。下面从它的核心特性和实际通信情景入手，结合图片和代码逻辑，用大白话讲透管道的关键知识点。
一、管道的5个核心特性
1. 自带同步机制
管道不用手动控制读写顺序，自带“等待功能”，就像传送带会等货物准备好再动：
- 没数据时，读进程“阻塞”（暂停），直到写进程写入数据才继续读；
- 有数据时，写进程写完前，读进程会等数据写完整再读。
简单说就是“不写读不到，有数据才能读”，完全不用我们额外加等待逻辑。
以下是提取的代码：
```c++
void ChildWrite(int wfd)
{
char buffer[1024];
int cnt = 0;
while (true)
{
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "I am child, pid: %d, cnt: %d", getpid(), cnt++);
write(wfd, buffer, strlen(buffer));
sleep(1);
}
}
void FatherRead(int rfd)
{
char buffer[1024];
while (true)
{
buffer[0] = 0;
ssize_t n = read(rfd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if (n > 0)
{
buffer[n] = 0;
std::cout << "child say: " << buffer << std::endl;
}
}
}
2. 面向字节流
管道里的数据是连续的“字节流”，就像水流一样，读和写的次数没有必然关系：
- 先看读写速度对比：不管是
read比write慢，还是write比read慢，数据都会按顺序传递，只是节奏不同，下图能直观看到两种速度下的运行状态。
- 注意“写快读慢”的问题：管道容量是固定的（比如Linux默认64KB），如果写得太快，管道会被写满。此时写进程会立刻“阻塞”，必须等读进程读走一部分数据、腾出空间，才能继续写。
- 关键规则：单次读写的数据量，由管道当前的剩余容量（写的时候）或剩余数据（读的时候）决定；比如写进程分3次写100字节，读进程可以一次把300字节全读走，不用跟写的次数对应。
3. 单向通信
管道是“单行道”，设计之初就只支持单向数据传递，属于“半双工”通信：
- 半双工：同一时间，只能一个进程发数据、另一个进程收数据（像对讲机，你说的时候我只能听，我说完你才能说）；
- 全双工（对比）：同一时间能双向传数据（像打电话，你说的同时我也能说），但管道做不到。
如果需要双向通信，得建两个管道（一个A→B，一个B→A）。
4. 生命周期随进程
管道是“临时水管”，不会像普通文件那样长期存在：
- 只要有一个使用管道的进程（比如创建管道的父进程、它的子进程）还在运行，管道就存在；
- 所有相关进程都退出后，管道会被系统自动清理，里面的数据也会消失，不会占用磁盘空间。
基于血缘关系的通信
二、管道通信的4种实际情景
实际用管道时，读写进程的速度、是否提前退出，会出现4种不同结果，也是面试高频考点，结合图片和代码逻辑能更清楚理解。
void ChildWrite(int wfd)
{
char buffer[1024];
int cnt = 0;
while (true)
{
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "I am child, pid: %d, cnt: %d", getpid(), cnt++);
write(wfd, buffer, strlen(buffer));
printf("child: %d
", cnt);
// sleep(3);
}
}
void FatherRead(int rfd)
{
char buffer[1024];
while (true)
{
sleep(5);
buffer[0] = 0;
ssize_t n = read(rfd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if (n > 0)
{
buffer[n] = 0;
std::cout << "child say: " << buffer << std::endl;
// sleep(2);
}
}
}
1. 情景1：写慢，读快
- 现象：读进程速度比写进程快（比如读每秒1000字节，写每秒500字节）；
- 结果：读进程读完管道里的少量数据后，发现没新数据了，会立刻“阻塞”，直到写进程再写入数据，才恢复运行。
- 举例：用
cat largefile.txt | grep "test"时，如果cat读大文件慢，grep就会等cat传数据。
2. 情景2：写快，读慢
- 现象：写进程速度远超读进程（比如写每秒1000字节，读每秒200字节）；
- 结果：管道会快速被写满，此时写进程会“阻塞”，直到读进程读走一部分数据、腾出空间，写进程才继续写，下图能看到写满后阻塞的状态。
3. 情景3：写端关闭，继续读
-
现象：写进程写完数据后，主动关闭了“写接口”（代码里关闭
fd[1]，fd[1]是管道的写文件描述符），但读进程还在继续读； -
结果：读进程会先读完管道里的剩余数据，之后再调用
read时，read会返回0（和读普通文件到结尾的返回值一样），读进程看到返回0就知道“没数据了，写端关了”，可以退出了。 -
第一步：写端修改（关闭写接口
fd[1]），代码里会加close(fd[1])，对应下图的写端状态变化。
- 第二步：读端处理（判断
read返回值），读端会用循环判断read的返回值，返回0就退出，对应下图的读端逻辑。
- 整体结构：下图能看到写端关闭后，读端读空数据、返回0退出的完整流程。
4. 情景4：读端关闭，写继续
-
现象：读进程提前退出（或主动关闭“读接口”
fd[0]），但写进程还在往管道里写数据； -
本质：数据没人读，写进去也没用，操作系统不会做“无意义的操作”，所以会直接杀死写进程，还会抛出
13号信号（SIGPIPE，管道断裂信号）。 -
原理：下图能看到读端关闭后，写端继续写的无效状态，OS会触发
SIGPIPE信号。
- 代码验证：我们可以写一段代码测试——父进程创建管道后，让子进程当“写端”持续写数据，父进程提前关闭“读端”
fd[0]，就能看到子进程被杀死的现象，对应下图的代码逻辑。
- 子进程退出信息：用
waitpid获取子进程退出状态，会看到退出码是141（128+13，13是SIGPIPE的编号），说明子进程是被SIGPIPE杀死的，对应下图的输出。
- 进程监控：用
ps命令监控进程，能看到子进程（写端）一开始存在，之后很快被杀死，对应下图的监控结果。
- 整体流程：下图是读端关闭、写端被杀死的结构示意图，能清晰看到信号传递和进程退出的过程。
- 最终输出：下图是实际运行代码后的输出结果，能看到写端只写了几次就被杀死，和我们的分析一致。
要不要我帮你整理一份管道操作的核心代码片段？包含管道创建、读写逻辑和异常处理（比如捕获SIGPIPE信号），直接编译就能验证文中的情景。
