パイプ
英語表記: Pipe
概要
パイプは、OSの基本機能であるプロセス管理において、異なるプロセス間でデータをやり取りするための標準的な仕組み、すなわちプロセス間通信（IPC）の一種です。これは、一方通行のデータフローを提供する仮想的な通路であり、あるプロセスが出力したデータを、別のプロセスが入力として受け取れるように仲介する役割を果たします。特に、複数のプロセスが協調して動作するシステムにおいて、効率的かつ安全に情報をリレーするために不可欠な機能なんですよ。
詳細解説
私たちが今注目している「OSの基本機能（プロセス管理）→ プロセス間通信」という文脈において、パイプは最も基礎的でありながら、非常に強力な通信手段の一つとして位置づけられます。
目的と仕組み
OSは、セキュリティや安定性を確保するために、各プロセスが持つメモリ領域を厳密に分離しています。そのため、プロセスAがプロセスBのデータに勝手にアクセスすることはできません。ここでパイプが登場します。パイプの主な目的は、この独立したプロセス間に、OSカーネルを介した安全なデータの受け渡し口を提供することにあります。
パイプは、OSカーネルによって管理されるメモリ上の「バッファ」（一時的な保管場所）として実装されています。データは、書き込み側プロセス（ライター）からこのバッファに書き込まれ、読み込み側プロセス（リーダー）がそこからデータを取り出します。このバッファリングの仕組みのおかげで、書き込み側と読み込み側が完全に同期していなくても、スムーズなデータの受け渡しが可能になるわけです。これは非常に賢い設計だと感心しますね。
一方通行の原則
パイプの決定的な特徴は、その通信が基本的に「一方通行」（単方向）である点です。データは必ず、書き込み側から読み込み側へと一方向に流れます。もし双方向の通信（プロセスAとBが相互にデータを送り合う）が必要な場合は、読み書きの方向が逆のパイプをもう一つ作成し、合計二つのパイプを使って実現する必要があります。この単方向性の維持は、通信経路の管理をシンプルにし、データの流れに関する複雑な競合状態を防ぐ上で非常に重要です。
パイプの二つの形態
パイプには、利用範囲に応じて主に二つの種類があります。
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無名パイプ (Unnamed Pipe):
名前を持たず、通常は親プロセスとそこから派生した子プロセスといった、「親子関係にあるプロセス間」の通信に限定して使用されます。シェル環境で複数のコマンドを連携させる際に使われる「|」（バーティカルバー）がこれに該当します。プロセスが終了すると同時に消滅するため、一時的なデータの連携に最適です。 -
名前付きパイプ (Named Pipe / FIFO):
ファイルシステム上に名前（ファイルパス）を持ち、関連性のない独立したプロセス間でも通信を可能にします。ファイルとして扱われますが、実際にはディスクにデータが書き込まれるわけではなく、カーネル内のバッファが使用されます。データの入った順に処理される「First-In, First-Out (FIFO)」（先入れ先出し）の原則に従うため、FIFOとも呼ばれます。これは、異なるアプリケーション間でデータを継続的にやり取りしたい場合に非常に便利です。
このパイプという機能は、プロセスが独立しているという「OSの基本機能」の前提があるからこそ、その上で「プロセス間通信」を可能にするために必要不可欠な存在なのです。
具体例・活用シーン
パイプの仕組みを理解すると、私たちが普段何気なく使っているシステムがどのように動いているのかが鮮明に見えてきます。
シェルコマンドの連携
パイプの最も身近な例は、LinuxやmacOSなどのターミナル（コマンドライン）で複数のコマンドを連結する操作です。
例: find . -name "*.log" | sort | less
find . -name "*.log"（ログファイルを検索するプロセス）がファイル名を出力します。- その出力が最初のパイプを通って、
sort（ファイル名をソートするプロセス）の入力になります。 sortの出力が二つ目のパイプを通って、less（画面に表示するプロセス）の入力になります。
このように、パイプは小さな専門家（コマンド）を次々とつなぎ合わせ、複雑なタスクを効率的に処理するための強力なツールとして機能しています。これは、OSのプロセス管理の柔軟性と拡張性を象徴していると言えるでしょう。
水道管の比喩（アナロジー）
パイプの仕組みを理解する上で、ぜひ「水道管」をイメージしてみてください。
プロセスAを「浄水場」、プロセスBを「一般家庭」とします。
浄水場が処理した水（データ）を、直接家庭に届けることはできません。間に水道管（パイプ）を通す必要があります。
- 一方通行性: 水は浄水場から家庭へ一方向に流れます。逆流はしません。
- バッファ: 水道管の中には、一時的に水が溜まっています。浄水場が少し水を止めても、すぐに家庭の水が止まるわけではないように、バッファのおかげでプロセスの動作速度の違いを吸収できます。
- 無名パイプ: これは、一時的に使用する「ホース」のようなものです。使用が終わればすぐに片付けられます。
- 名前付きパイプ: これは、住所（名前）を持つ「主要な水道管」のようなものです。どの家庭や施設も、その名前（住所）を指定すれば、パイプを通じて水を受け取ることができるのです。
この比喩を使えば、パイプがプロセス間通信という複雑な概念を、いかにシンプルかつ効率的に実現しているかがよくわかると思います。
資格試験向けチェックポイント
IT資格試験、特に基本情報技術者試験や応用情報技術者試験では、「プロセス間通信（IPC）」の選択肢としてパイプの特性が問われます。
- IPCの種類と機能の区別（基本情報・応用情報）:
パイプはデータ転送に特化した手段であり、セマフォ（同期・排他制御）や共有メモリ（高速通信）とは目的が異なります。それぞれのIPC手法が、プロセス間通信という階層の中でどのような役割を担っているのかを明確に区別することが求められます。 - 無名パイプの適用範囲（ITパスポート・基本情報）:
無名パイプは、主に親プロセスと子プロセスなど、関連性の強いプロセス間での通信に用いられるという限定性を確実に覚えてください。コマンドラインの「|」がその代表例です。
