C 語言 pipe 函數詳解：進程間通信管道機制

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pipe 函數概述

pipe 是 POSIX 標準提供的進程間通信（IPC）機制，創建一個單向數據管道，返回一對文件描述符：fd[0] 用於讀取，fd[1] 用於寫入。數據在內核緩衝區中流動，遵循先進先出（FIFO）原則。

函數原型與返回值

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);

成功：返回 0，pipefd[0]、pipefd[1] 分別為讀/寫端描述符
失敗：返回 -1，設置 errno（如 EMFILE、ENFILE、EFAULT）

核心特性

單向性：數據只能從寫端流向讀端
無名管道：僅限具有親緣關係的進程（父子、兄弟）使用
阻塞行為：
- 讀端：管道為空時阻塞，直到有數據或寫端關閉
- 寫端：管道滿時阻塞（默認 64KB），直到有空間或讀端關閉（觸發 SIGPIPE）
原子性：PIPE_BUF（≥512 字節）以內寫入保證原子

典型使用模式：父子進程通信

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>

int main() {
    int fd[2];
    if (pipe(fd) == -1) {
        perror("pipe");
        return 1;
    }

    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        return 1;
    }

    if (pid == 0) {  // 子進程：寫入
        close(fd[0]);  // 關閉讀端
        const char* msg = "Hello from child!";
        write(fd[1], msg, strlen(msg) + 1);  // 含結束符
        close(fd[1]);  // 關閉寫端，發送 EOF
        return 0;
    } else {  // 父進程：讀取
        close(fd[1]);  // 關閉寫端
        char buf[128];
        ssize_t n = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        if (n > 0) {
            buf[n] = '\0';
            printf("Parent received: %s\n", buf);
        }
        close(fd[0]);
        wait(NULL);  // 回收子進程
    }
    return 0;
}

關鍵注意事項

1. 必須關閉無用端

每個進程只保留需要的描述符，務必關閉另一端。否則：

讀端不關閉寫端 → 讀不到 EOF（因自己持有寫端引用）
寫端不關閉讀端 → 讀端關閉時寫端收不到 SIGPIPE，持續阻塞

2. 管道容量與阻塞

Linux 管道默認 64KB。寫入超過容量會阻塞，需配合 select/poll/epoll 或非阻塞模式（O_NONBLOCK）處理高併發場景。

3. 處理 SIGPIPE

讀端關閉後寫入會觸發 SIGPIPE 導致進程終止。常見處理：

signal(SIGPIPE, SIG_IGN);  // 忽略信號，write 返回 EPIPE
// 或
int flags = fcntl(fd[1], F_GETFL);
fcntl(fd[1], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);  // 非阻塞模式

進階：雙向通信

需創建兩個管道：

int fd1[2], fd2[2];
pipe(fd1);  // 父→子
pipe(fd2);  // 子→父

父進程保留 fd1[1]、fd2[0]；子進程保留 fd1[0]、fd2[1]。

與命名管道（FIFO）對比

特性	pipe（無名管道）	mkfifo（命名管道）
適用範圍	親緣進程	任意進程
創建方式	`pipe()`	`mkfifo()` + `open()`
持久性	進程結束消失	文件系統持久存在
打開阻塞	無	雙端打開前阻塞