【操作系统百科】管道、FIFO、socketpair

管道是 Doug McIlroy 1972 年的设计，让 Unix 程序能用 | 串起来。50 多年后，它仍然是 Linux 上用得最多的 IPC。但”管道是一条 FIFO 字节流”这个抽象藏着几个陷阱，生产代码里经常踩。

本文讲管道家族三兄弟：匿名管道、命名管道（FIFO）、socketpair；再讲 splice 这个管道的原生加速器。

一、先看图：管道内部是环形页

flowchart LR
    W[write end<br/>struct file] -->|pipe_write| H[pipe_inode_info]
    R[read end<br/>struct file] -->|pipe_read| H
    H --> B0[pipe_buffer 0<br/>→ page]
    H --> B1[pipe_buffer 1<br/>→ page]
    H --> B2[pipe_buffer 2<br/>...]
    H --> BN[pipe_buffer N-1]
    S[splice from fd] -.零拷贝.-> B1
    classDef k fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef z fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class W,R,H,B0,B1,B2,BN k
    class S z

pipe_inode_info 持有一个 pipe_buffer 环（默认 16 个 slot，可 fcntl(F_SETPIPE_SZ) 调，上限 /proc/sys/fs/pipe-max-size），每个 slot 指向一页内存。read 从 head slot 起消费、write 往 tail 塞。

这意味着：

• 管道容量 = slot 数 × 页大小（默认 64KB @ 16 × 4KB）
• 页本身可以是从别的 inode 借来的（splice 场景）
• 写入小于 PIPE_BUF（Linux 上 4KB）的数据是原子的——不会被别的 writer 交织

二、pipe(2) / pipe2(2)

int fds[2];
pipe2(fds, O_CLOEXEC | O_NONBLOCK);
// fds[0] 读端，fds[1] 写端

永远用 pipe2 带 O_CLOEXEC——pipe(2) 不带是 fork-exec 漏 fd 的经典原因。

半双工：每个 fd 只能一向。需要双向用 socketpair 或 pipe 两条。

2.1 shell 的 cmd1 | cmd2

shell 逻辑：

1. pipe2(fds)
2. fork
3. 子 1：dup2(fds[1], 1); close(fds[0]); close(fds[1]); exec(cmd1)
4. 子 2：dup2(fds[0], 0); close(fds[0]); close(fds[1]); exec(cmd2)
5. 父：close(fds[0]); close(fds[1]); wait...

任何一端忘关就会 hang——经典 “cat 不终止” 的源头。

三、读写语义的细节

3.1 EOF / SIGPIPE

• read 端：所有 write 端关闭 → read 返回 0（EOF）
• write 端：所有 read 端关闭 → write 返回 EPIPE 并且内核送 SIGPIPE

前面 B-13 讲过，网络服务要 SIG_IGN SIGPIPE。子进程/管道链同理。

3.2 PIPE_BUF 原子写

POSIX 规定：小于等于 PIPE_BUF 字节的 write 到管道是原子的（Linux 上 PIPE_BUF = 4096）。多 writer 并发写 < 4KB 不会交织。

大于 PIPE_BUF 就可能被切，读端看到的是任意拼接。日志聚合（每条日志 < 4KB）就靠这个。

3.3 阻塞 vs 非阻塞

• 阻塞 read 在空管道上挂起
• 阻塞 write 在满管道上挂起
• 非阻塞：返回 EAGAIN

非阻塞 write 到满管道：返回 EAGAIN；不会写一部分（除非 > PIPE_BUF 的部分写）。

3.4 读写的边界

管道是字节流，不保留消息边界。每次 read 可能读到任意字节数。要消息边界自己加分隔符或 length-prefix。

socketpair(SOCK_DGRAM) 保留消息边界。

四、FIFO：命名管道

mkfifo(2)：在文件系统里建一个 FIFO 节点。不同进程 open 同一路径，读写通道就连上。

mkfifo /tmp/log
cat /tmp/log &           # reader
echo hello > /tmp/log    # writer

坑：默认 open(O_RDONLY) 会阻塞直到有 writer；open(O_WRONLY) 阻塞到有 reader。用 O_NONBLOCK 避免。

FIFO 在容器日志采集、简单 IPC、debug dump 里偶尔用。大规模系统一般直接 socket。

五、socketpair(2)

socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, fds) 创建一对双向连接的 Unix socket。

优势于 pipe：

• 双向（每端都能读写）
• 可送 SOCK_DGRAM 保留消息边界
• 支持 SCM_RIGHTS 传 fd（见 5.1）
• 支持 credentials 传递（SO_PASSCRED）

成本：Unix socket 栈比 pipe 重。不过 sendmsg/recvmsg 已经优化到很接近。

5.1 SCM_RIGHTS：跨进程传 fd

Unix socket 独占能力：通过 SCM_RIGHTS 辅助数据传 fd，内核把 fd 号复制到接收端（是内核对象 struct file 的新引用，不是号码翻译）。

这是 systemd socket activation、podman、WSL2、docker-containerd 控制面、Chromium 多进程架构的基石。

struct cmsghdr *cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msg);
cmsg->cmsg_level = SOL_SOCKET;
cmsg->cmsg_type = SCM_RIGHTS;
cmsg->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(int));
memcpy(CMSG_DATA(cmsg), &send_fd, sizeof(int));
sendmsg(sock, &msg, 0);

接收端 recvmsg 得到新 fd 号，二者指向同一 struct file（同一 offset、flags）。

六、splice：管道的原生加速

splice(2) 把数据从一个 fd 移到另一个 fd，至少一端必须是 pipe。在 kernel 里它直接”转移页引用”，零拷贝。

splice(file_fd, NULL, pipe_w, NULL, len, SPLICE_F_MOVE);
splice(pipe_r, NULL, socket_fd, NULL, len, SPLICE_F_MOVE);

典型场景：sendfile 的通用版。nginx、ffmpeg、bpftrace 的 pipe 桥。

相关：

• tee(2)：从一个 pipe 复制到另一个 pipe（页引用复制，不 copy 字节）
• vmsplice(2)：用户内存 → pipe（危险——解决 aliasing 困难，后被 CVE 推动修订）

splice/tee 在 storage/网络百科 “零拷贝” 专题里深入，不重复。

七、pipe 容量与背压

默认 16 页 = 64KB。写快读慢 → 写端阻塞或返回 EAGAIN。这是天然 back-pressure：

slow_producer | fast_consumer   # 消费者一直等
fast_producer | slow_consumer   # 生产者被阻塞在 write，自然限速

F_SETPIPE_SZ 可把容量扩到几百 MB，但默认不建议调大——大 buffer 延迟抖动大，内存压力也大。

八、PIDFD vs FIFO 通知

传统写法：“守护进程 mkfifo，客户端写触发命令”。问题：

• 没有 ACL 细粒度
• 要解析命令字符串
• 没消息边界

现代替代：

• Unix socket + JSON/protobuf（大多数守护进程）
• systemd 的 socket activation + sd_notify
• d-bus

FIFO 在现代代码里几乎只在极简 shell 脚本留用。

九、性能基准（典型）

（参考：Linux 6.1、Xeon 8360Y、glibc 2.36、同 NUMA 节点）

注意：微基准易误导，真实程序里 syscall 数量、上下文切换、cgroup 开销往往决定瓶颈。

十、常见 bug

bug A：写端从不关管道，读端 hang 原因：缺少 close(fds[1])（shell pipeline 也一样）

bug B：两个 writer 并发写 > 4KB，读端看到拼接 原因：PIPE_BUF 原子边界 解决：自己加锁或限每次 write ≤ 4KB

bug C：popen 子进程有时僵尸 原因：pclose 不调 → 不 reap 解决：显式 pclose

bug D：O_CLOEXEC 漏了，子进程继承 fd 导致父关了对端还收不到 EOF 原因：fork-exec 间 fd 泄漏；新子也持 write 端，read 端永远收不到 EOF 解决：pipe2(..., O_CLOEXEC) + exec 前 close 不必要的 fd

bug E：往 FIFO 写触发 SIGPIPE 原因：reader 断了 解决：signal(SIGPIPE, SIG_IGN) 或 send(..., MSG_NOSIGNAL)

十一、小结

• 管道在内核里是环形 pipe_buffer，不是字节流
• PIPE_BUF 原子写、阻塞写背压是设计特性
• FIFO 便宜但粗糙；socketpair 功能全面；splice 是零拷贝加速
• SCM_RIGHTS 传 fd 是现代多进程架构的基石
• 所有场景都要 O_CLOEXEC 与 SIGPIPE 处理

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参考文献

• Kerrisk, M. The Linux Programming Interface, Ch. 44-46, 53-55
• Linux source: fs/pipe.c、fs/splice.c、net/unix/af_unix.c
• Bovet & Cesati, Understanding the Linux Kernel, Ch. 19 “Process Communication”
• Corbet, J. “Splicing and iovs.” LWN.net 2006
• Corbet, J. “Passing file descriptors with SCM_RIGHTS.” LWN.net 2016
• pipe(7)、fifo(7)、unix(7) man pages

工具

• lsof -p <pid> —— 看 fd 类型（pipe/unix-socket）
• ss -xp —— Unix socket 全局视图
• strace -e %desc —— fd 操作追踪
• perf trace —— syscall 带延迟
• pipemeter、pv —— 管道吞吐观察

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