对于linux中管道的认识

linux 管道 

管道是Linux中很重要的一种通信方式,是把一个程序的输出直接连接到另一个程序的输入,常说的管道多是指无名管道,无名管道只能用于具有亲缘关系的进程之间，这是它与有名管道的最大区别。

有名管道叫named pipe或者FIFO(先进先出)，可以用函数mkfifo()创建。

Linux管道的实现机制

在Linux中，管道是一种使用非常频繁的通信机制。从本质上说，管道也是一种文件，但它又和一般的文件有所不同，管道可以克服使用文件进行通信的两个问题，具体表现为：

·      限制管道的大小。实际上，管道是一个固定大小的缓冲区。在Linux中，该缓冲区的大小为1页，即4K字节，使得它的大小不象文件那样不加检验地增长。使用单个固定缓冲区也会带来问题，比如在写管道时可能变满，当这种情况发生时，随后对管道的write()调用将默认地被阻塞，等待某些数据被读取，以便腾出足够的空间供write()调用写。

·      读取进程也可能工作得比写进程快。当所有当前进程数据已被读取时，管道变空。当这种情况发生时，一个随后的read()调用将默认地被阻塞，等待某些数据被写入，这解决了read()调用返回文件结束的问题。

注意：从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读，它就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据。

1. 管道的结构

     在 Linux 中，管道的实现并没有使用专门的数据结构，而是借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。通过将两个 file 结构指向同一个临时的 VFS 索引节点，而这个 VFS 索引节点又指向一个物理页面而实现的。

2.管道的读写

      管道实现的源代码在fs/pipe.c中，在pipe.c中有很多函数，其中有两个函数比较重要，即管道读函数pipe_read()和管道写函数pipe_wrtie()。管道写函数通过将字节复制到 VFS 索引节点指向的物理内存而写入数据，而管道读函数则通过复制物理内存中的字节而读出数据。当然，内核必须利用一定的机制同步对管道的访问，为此，内核使用了锁、等待队列和信号。

     当写进程向管道中写入时，它利用标准的库函数write()，系统根据库函数传递的文件描述符，可找到该文件的 file 结构。file 结构中指定了用来进行写操作的函数（即写入函数）地址，于是，内核调用该函数完成写操作。写入函数在向内存中写入数据之前，必须首先检查 VFS 索引节点中的信息，同时满足如下条件时，才能进行实际的内存复制工作：

 

       ·内存中有足够的空间可容纳所有要写入的数据；

       ·内存没有被读程序锁定。

 

如果同时满足上述条件，写入函数首先锁定内存，然后从写进程的地址空间中复制数据到内存。否则，写入进程就休眠在 VFS 索 引节点的等待队列中，接下来，内核将调用调度程序，而调度程序会选择其他进程运行。写入进程实际处于可中断的等待状态，当内存中有足够的空间可以容纳写入 数据，或内存被解锁时，读取进程会唤醒写入进程，这时，写入进程将接收到信号。当数据写入内存之后，内存被解锁，而所有休眠在索引节点的读取进程会被唤 醒。

     管 道的读取过程和写入过程类似。但是，进程可以在没有数据或内存被锁定时立即返回错误信息，而不是阻塞该进程，这依赖于文件或管道的打开模式。反之，进程可 以休眠在索引节点的等待队列中等待写入进程写入数据。当所有的进程完成了管道操作之后，管道的索引节点被丢弃，而共享数据页也被释放。

   

一.管道容量：管道容量分为pipi capacity 和 pipe_buf .这两者的区别在于pipe_buf定义的是内核管道缓冲区的大小，这个值的大小是由内核设定的，这个值仅需一条命令就可以查到；而pipe capacity指的是管道的最大值，即容量，是内核内存中的一个缓冲区。

pipe_buf: 命令：ulimit -a

在终端输入该命令就会出现如下一表：

管道容量 sizeof(pipe_buf)= 512 bytes* 8 = 4kb

pipi capacity:

 当管道满的时候    O_NONBLOCK disable： write调用阻塞，直到有进程读走数据

                   O_NONBLOCK enable：调用返回-1，errno值为EAGAIN

 pipi capacity的大小需要写一段程序去检测，代码如下所示：

1. #include<sys/types.h>  
2. #include<sys/stat.h>  
3. #include<unistd.h>  
4. #include<fcntl.h>  
5. #include<stdio.h>  
6. #include<stdlib.h>  
7. #include<errno.h>  
8. #include<string.h>  
9. #include<signal.h>  
10. #define ERR_EXIT(m) \  
11.     do { \  
12.         perror(m); \  
13.         exit(EXIT_FAILURE); \  
14.     } while(0)  
15.   
16. int main(int argc, char *argv[])  
17. {  
18.     int pipefd[2];  
19.     if (pipe(pipefd) == -1)  
20.         ERR_EXIT("pipe error");  
21.   
22.     int ret;  
23.     int count = 0;  
24.     int flags = fcntl(pipefd[1], F_GETFL);  
25.     fcntl(pipefd[1], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); // 设置为非阻塞  
26.     while (1)  
27.     {  
28.         ret = write(pipefd[1], "A", 1);  
29.         if (ret == -1)  
30.         {  
31.             printf("err=%s\n", strerror(errno));  
32.             break;  
33.         }  
34.   
35.         count++;  
36.     }  
37.     printf("count=%d\n", count); //管道容量  
38.   
39.     return 0;  
40. }

运行结果：

由此图可知 pipe capacity的大小为 65536

二.管道缓冲区

1、管道（pipe）

管道是进程间通信的主要手段之一。一个管道实际上就是个只存在于内存中的文件，对这个文件的操作要通过两个已经打开文件进行，它们分别代表管道的两端。管道是一种特殊的文件，它不属于某一种文件系统，而是一种独立的文件系统，有其自己的数据结构。根据管道的适用范围将其分为：无名管道和命名管道。

●     无名管道

主要用于父进程与子进程之间，或者两个兄弟进程之间。在Linux系统中可以通过系统调用建立起一个单向的通信管道，且这种关系只能由父进程来建立。因此，每个管道都是单向的，当需要双向通信时就需要建立起两个管道。管道两端的进程均将该管道看做一个文件，一个进程负责往管道中写内容，而另一个从管道中读取。这种传输遵循“先入先出”（FIFO）的规则。

●     命名管道

命名管道是为了解决无名管道只能用于近亲进程之间通信的缺陷而设计的。命名管道是建立在实际的磁盘介质或文件系统（而不是只存在于内存中）上有自己名字的文件，任何进程可以在任何时间通过文件名或路径名与该文件建立联系。为了实现命名管道，引入了一种新的文件类型——FIFO文件（遵循先进先出的原则）。实现一个命名管道实际上就是实现一个FIFO文件。命名管道一旦建立，之后它的读、写以及关闭操作都与普通管道完全相同。虽然FIFO文件的inode节点在磁盘上，但是仅是一个节点而已，文件的数据还是存在于内存缓冲页面中，和普通管道相同。

管道通讯如下图：