程序通訊----管道(pipe)

阿新 • • 發佈：2020-10-21

Linux管道的實現機制

在Linux中，管道是一種使用非常頻繁的通訊機制。從本質上說，管道也是一種檔案，但它又和一般的檔案有所不同，管道可以克服使用檔案進行通訊的兩個問題，具體表現為：

·限制管道的大小。實際上，管道是一個固定大小的緩衝區。在Linux中，該緩衝區的大小為1頁，即4K位元組，使得它的大小不象檔案那樣不加檢驗地增長。使用單個固定緩衝區也會帶來問題，比如在寫管道時可能變滿，當這種情況發生時，隨後對管道的write()呼叫將預設地被阻塞，等待某些資料被讀取，以便騰出足夠的空間供write()呼叫寫。

·讀取程序也可能工作得比寫程序快。當所有當前程序資料已被讀取時，管道變空。當這種情況發生時，一個隨後的read()呼叫將預設地被阻塞，等待某些資料被寫入，這解決了read()呼叫返回檔案結束的問題。

注意：從管道讀資料是一次性操作，資料一旦被讀，它就從管道中被拋棄，釋放空間以便寫更多的資料。

1.管道的結構

在Linux中，管道的實現並沒有使用專門的資料結構，而是藉助了檔案系統的file結構和VFS的索引節點inode。通過將兩個file結構指向同一個臨時的VFS索引節點，而這個VFS索引節點又指向一個物理頁面而實現的。

兩個file資料結構，但它們定義檔案操作例程地址是不同的，其中一個是向管道中寫入資料的例程地址，而另一個是從管道中讀出資料的例程地址。這樣，使用者程式的系統呼叫仍然是通常的檔案操作，而核心卻利用這種抽象機制實現了管道這一特殊操作。

2.管道的讀寫

管道實現的原始碼在fs/pipe.c中，在pipe.c中有很多函式，其中有兩個函式比較重要，即管道讀函式pipe_read()和管道寫函式pipe_wrtie()。管道寫函式通過將位元組複製到VFS索引節點指向的實體記憶體而寫入資料，而管道讀函式則通過複製實體記憶體中的位元組而讀出資料。當然，核心必須利用一定的機制同步對管道的訪問，為此，核心使用了鎖、等待佇列和訊號。

當寫程序向管道中寫入時，它利用標準的庫函式write()，系統根據庫函式傳遞的檔案描述符，可找到該檔案的file結構。file結構中指定了用來進行寫操作的函式（即寫入函式）地址，於是，核心呼叫該函式完成寫操作。寫入函式在向記憶體中寫入資料之前，必須首先檢查VFS索引節點中的資訊，同時滿足如下條件時，才能進行實際的記憶體複製工作：

·記憶體中有足夠的空間可容納所有要寫入的資料；

·記憶體沒有被讀程式鎖定。

如果同時滿足上述條件，寫入函式首先鎖定記憶體，然後從寫程序的地址空間中複製資料到記憶體。否則，寫入程序就休眠在VFS索引節點的等待佇列中，接下來，核心將呼叫排程程式，而排程程式會選擇其他程序執行。寫入程序實際處於可中斷的等待狀態，當記憶體中有足夠的空間可以容納寫入資料，或記憶體被解鎖時，讀取程序會喚醒寫入程序，這時，寫入程序將接收到訊號。當資料寫入記憶體之後，記憶體被解鎖，而所有休眠在索引節點的讀取程序會被喚醒。

管道的讀取過程和寫入過程類似。但是，程序可以在沒有資料或記憶體被鎖定時立即返回錯誤資訊，而不是阻塞該程序，這依賴於檔案或管道的開啟模式。反之，程序可以休眠在索引節點的等待佇列中等待寫入程序寫入資料。當所有的程序完成了管道操作之後，管道的索引節點被丟棄，而共享資料頁也被釋放。

因為管道的實現涉及很多檔案的操作

獲取Linux 記憶體頁（基頁）大小的命令：getconf PAGE_SIZE，一般的輸出是4096，即 4KB。