匿名管道

kubectl get pod -A | grep mysql

上面命令行里的「|」豎線(xiàn)就是一個(gè)管道，在命令行（如 Linux Shell 或 Windows CMD/PowerShell）中，管道操作符 | 的作用是將 前一個(gè)命令的標(biāo)準(zhǔn)輸出（stdout） 傳遞給 后一個(gè)命令的標(biāo)準(zhǔn)輸入（stdin）。但它默認(rèn) 不會(huì)傳遞標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤（stderr），這是它的核心行為特點(diǎn)。

1. 管道|的基本行為

command1 | command2

• command1 的 stdout → 作為 command2 的 stdin。
• command1 的 stderr → 直接打印到終端，不會(huì)傳遞給 command2。

示例 1（stdout 被管道傳遞）

# ls 成功時(shí)，stdout（文件列表）會(huì)傳遞給 grep
ls /usr/bin | grep "python"

示例 2（stderr 未被管道傳遞）

# 如果目錄不存在，錯(cuò)誤信息會(huì)直接顯示，不會(huì)傳遞給 grep
ls /nonexistent_dir | grep "error"

輸出：

ls: cannot access '/nonexistent_dir': No such file or directory

（錯(cuò)誤信息直接顯示，grep 不會(huì)處理它）

2. 為什么|不處理 stderr

• 設(shè)計(jì)初衷：| 的職責(zé)是傳遞 正常輸出，錯(cuò)誤信息通常需要直接反饋給用戶(hù)。
• 分離數(shù)據(jù)流：stdout（正常輸出）和 stderr（錯(cuò)誤信息）是獨(dú)立的流，| 默認(rèn)只操作 stdout。

3. 原理

int pipe(int fd[2])

這里表示創(chuàng)建一個(gè)匿名管道,并返回了兩個(gè)描述符,一個(gè)是管道的讀取端描述符,另一個(gè)是管道的寫(xiě)入端描述符fd。注意,這個(gè)匿名管道是特殊的文件,只存在于內(nèi)存,不存于文件系統(tǒng)中。

所謂的管道，就是內(nèi)核里面的一串緩存。從管道的一段寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，實(shí)際上是緩存在內(nèi)核中的，另一端讀取，也就是從內(nèi)核中讀取這段數(shù)據(jù)。另外，管道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是無(wú)格式的流且大小受限。

管道只能一端寫(xiě)入，另一端讀出，所以上面這種模式容易造成混亂，因?yàn)楦高M(jìn)程和子進(jìn)程都可以同時(shí)寫(xiě)入，也都可以讀出。那么，為了避免這種情況，通常的做法是：

• 父進(jìn)程關(guān)閉讀取的 fd[o]，只保留寫(xiě)入的 fd[1];
• 子進(jìn)程關(guān)閉寫(xiě)入的fd[1],只保留讀取的 fd[o];

在shell 里面執(zhí)行 A | B 命令的時(shí)候，A 進(jìn)程和 B 進(jìn)程都是shell 創(chuàng)建出來(lái)的子進(jìn)程，A 和 B 之間不存在父子關(guān)系，它倆的父進(jìn)程都是 shell。

命名管道

簡(jiǎn)介

• 匿名管道，它的通信范圍是存在父子關(guān)系的進(jìn)程。因?yàn)楣艿罌](méi)有實(shí)體，也就是沒(méi)有管道文件,只能通過(guò)fork來(lái)復(fù)制父進(jìn)程 fd文件描述符,來(lái)達(dá)到通信的目的。
• 對(duì)于命名管道,它可以在不相關(guān)的進(jìn)程間也能相互通信。因?yàn)槊罟艿?提前創(chuàng)建了一個(gè)類(lèi)型為管道的設(shè)備文件，在進(jìn)程里只要使用這個(gè)設(shè)備文件，就可以相互通信。
• 不管是匿名管道還是命名管道,進(jìn)程寫(xiě)入的數(shù)據(jù)都是緩存在內(nèi)核中，另一個(gè)進(jìn)程讀取數(shù)據(jù)時(shí)候自然也是從內(nèi)核中獲取,同時(shí)通信數(shù)據(jù)都遵循先進(jìn)先出原則,不支持Iseek之類(lèi)的文件定位操作。

使用

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

創(chuàng)建 FIFO

使用 mkfifo 命令或 mkfifo() 函數(shù)創(chuàng)建：

mkfifo /tmp/myfifo  # 創(chuàng)建一個(gè)名為 /tmp/myfifo 的 FIFO

• pathname：FIFO 的文件路徑（如 /tmp/myfifo）。
• mode：權(quán)限（如 0644，表示用戶(hù)可讀寫(xiě)，其他人只讀）。

FIFO 的特點(diǎn)

半雙工通信

• 同一時(shí)間只能 讀 或 寫(xiě)，不能同時(shí)讀寫(xiě)（類(lèi)似單行道）。
• 示例：

# 終端1：寫(xiě)入數(shù)據(jù)
echo "Hello" > /tmp/myfifo

# 終端2：讀取數(shù)據(jù)
cat /tmp/myfifo  # 輸出 "Hello"

阻塞機(jī)制

• 如果沒(méi)有進(jìn)程在 讀，寫(xiě)操作會(huì) 卡住，直到有進(jìn)程來(lái)讀。
• 如果沒(méi)有進(jìn)程在 寫(xiě)，讀操作會(huì) 卡住，直到有進(jìn)程來(lái)寫(xiě)。

數(shù)據(jù)是流式的

• 數(shù)據(jù)像水流一樣，讀完后會(huì)消失，不能像普通文件那樣隨意跳轉(zhuǎn)（lseek 無(wú)效）。

如何使用 FIFO？

（1）命令行測(cè)試

# 終端1：監(jiān)聽(tīng) FIFO（讀）
cat /tmp/myfifo

# 終端2：發(fā)送數(shù)據(jù)（寫(xiě)）
echo "Hello FIFO" > /tmp/myfifo

終端1 會(huì)顯示 Hello FIFO。

（2）C 語(yǔ)言示例

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

int main() {
    mkfifo("/tmp/myfifo", 0644);  // 創(chuàng)建 FIFO

    int fd = open("/tmp/myfifo", O_WRONLY);  // 以寫(xiě)方式打開(kāi)
    write(fd, "Hello", 6);  // 寫(xiě)入數(shù)據(jù)
    close(fd);

    return 0;
}

常見(jiàn)問(wèn)題

Q1: FIFO 和普通文件有什么區(qū)別？

• FIFO 是 內(nèi)存中的管道，數(shù)據(jù)讀完就沒(méi)了；普通文件會(huì)持久化存儲(chǔ)。

Q2: FIFO 和匿名管道（|）有什么區(qū)別？

• 匿名管道只能用于 父子進(jìn)程，F(xiàn)IFO 可用于 任意進(jìn)程。

Q3: 如果 FIFO 已經(jīng)存在，再創(chuàng)建會(huì)怎樣？

• mkfifo 會(huì)失敗，并提示 File exists。

原理

1. 普通文件 vs. 命名管道（FIFO）

普通文件（如 a.txt）：

• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 磁盤(pán) 上，打開(kāi)時(shí)會(huì)加載到內(nèi)存。
• 修改后需要 寫(xiě)回磁盤(pán)（刷盤(pán)）。
• 多個(gè)進(jìn)程打開(kāi)同一文件時(shí)，數(shù)據(jù)可能不同步（除非加鎖）。

命名管道（FIFO）：

• 本質(zhì)是一個(gè) 內(nèi)存緩沖區(qū)，只是偽裝成文件（磁盤(pán)上只有文件名，沒(méi)有實(shí)際數(shù)據(jù)塊）。
• 數(shù)據(jù) 不寫(xiě)入磁盤(pán)，直接在進(jìn)程間流動(dòng)。
• 專(zhuān)為 進(jìn)程間通信（IPC） 設(shè)計(jì)，速度快。

2. 命名管道的工作原理

（1）創(chuàng)建 FIFO

當(dāng)執(zhí)行 mkfifo /tmp/myfifo 時(shí)：

1. 磁盤(pán)上創(chuàng)建一個(gè) 空文件（只有 inode，沒(méi)有數(shù)據(jù)塊）。
2. 操作系統(tǒng)內(nèi)核維護(hù)一個(gè) 內(nèi)存緩沖區(qū)（用于存儲(chǔ)進(jìn)程間傳遞的數(shù)據(jù)）。

（2）進(jìn)程 A 寫(xiě)入數(shù)據(jù)

echo "Hello" > /tmp/myfifo

• 進(jìn)程 A 打開(kāi) FIFO 以寫(xiě)方式（O_WRONLY）。
• 數(shù)據(jù) "Hello" 被寫(xiě)入內(nèi)核的 內(nèi)存緩沖區(qū)（不刷盤(pán)?。?。
• 如果 沒(méi)有進(jìn)程在讀取，進(jìn)程 A 會(huì) 阻塞（卡?。?，直到有進(jìn)程來(lái)讀。

（3）進(jìn)程 B 讀取數(shù)據(jù)

cat /tmp/myfifo

• 進(jìn)程 B 打開(kāi) FIFO 以讀方式（O_RDONLY）。
• 從內(nèi)核緩沖區(qū)讀取 "Hello"，數(shù)據(jù)被消費(fèi)（緩沖區(qū)清空）。
• 如果 沒(méi)有進(jìn)程在寫(xiě)入，進(jìn)程 B 會(huì) 阻塞，直到有進(jìn)程寫(xiě)入。

3. 關(guān)鍵點(diǎn)解析

（1）文件描述符與內(nèi)核結(jié)構(gòu)

每個(gè)進(jìn)程打開(kāi) FIFO 時(shí)，內(nèi)核會(huì) 復(fù)用同一個(gè) struct file（通過(guò)引用計(jì)數(shù) ref 管理）。

• 第一次打開(kāi)時(shí)創(chuàng)建 struct file，ref=1。
• 第二個(gè)進(jìn)程打開(kāi)時(shí)，ref=2（指向同一個(gè)內(nèi)存緩沖區(qū)）。
• 關(guān)閉時(shí) ref--，ref=0 時(shí)內(nèi)核才釋放資源。

（2）為什么數(shù)據(jù)不刷盤(pán)？

• FIFO 的 設(shè)計(jì)目的 是進(jìn)程間通信，數(shù)據(jù)不需要持久化。
• 刷盤(pán)會(huì) 拖慢速度，且毫無(wú)意義（通信完數(shù)據(jù)即可丟棄）。

（3）半雙工通信

• 同一時(shí)間只能 單向流動(dòng)（讀或?qū)懀?/li>
• 如果需要雙向通信，需創(chuàng)建 兩個(gè) FIFO（一個(gè)負(fù)責(zé) A→B，一個(gè)負(fù)責(zé) B→A）。

4. 類(lèi)比理解

把 FIFO 想象成 一條水管：

寫(xiě)入端：進(jìn)程 A 往水管里倒水（數(shù)據(jù)）。

讀取端：進(jìn)程 B 從水管接水（數(shù)據(jù)）。

特性：

• 水管沒(méi)有儲(chǔ)水功能（數(shù)據(jù)不持久化）。
• 如果沒(méi)人接水，倒水的人會(huì)等待（阻塞寫(xiě)入）。
• 如果沒(méi)人倒水，接水的人會(huì)等待（阻塞讀?。?。

總結(jié)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：

FIFO 是 披著文件外衣的內(nèi)存管道，讓進(jìn)程可以通過(guò)文件路徑名通信，數(shù)據(jù) 不落盤(pán)，速度極快！

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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