管道的应用（pipe）《深入分析Linux内核源码》

7.1.1 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。如图 7.1所示。

图7.1中有两个 file 数据结构，但它们定义文件操作例程地址是不同的，其中一个是向管道中写入数据的例程地址，而另一个是从管道中读出数据的例程地址。这样，用户程序的系统调用仍然是通常的文件操作，而内核却利用这种抽象机制实现了管道这一特殊操作。

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。

因为管道的实现涉及很多文件的操作,因此,当读者学完有关文件系统的内容后来读pipe.c中的代码，你会觉得并不难理解。

7.1.2管道的应用

管道是利用pipe()系统调用而不是利用open()系统调用建立的。pipe()调用的原型是：

int pipe(int fd[2])

我们看到，有两个文件描述符与管道结合在一起，一个文件描述符用于管道的read()端，一个文件描述符用于管道的write()端。由于一个函数调用不能返回两个值，pipe()的参数是指向两个元素的整型数组的指针，它将由调用两个所要求的文件描述符填入。

fd[0]元素将含有管道read()端的文件描述符，而fd[1]含有管道write()端的文件描述符。系统可根据fd[0]和fd[1]分别找到对应的file结构。在第8章我们会描述pipe（）系统调用的实现机制。

注意，在pipe的参数中，没有路径名，这表明，创建管道并不象创建文件一样，要为它创建一个目录连接。这样做的好处是，其它现存的进程无法得到该管道的文件描述符，从而不能访问它。那么，两个进程如何使用一个管道来通信呢？

我们知道，fork()和exec()系统调用可以保证文件描述符的复制品既可供双亲进程使用，也可供它的子女进程使用。也就是说，一个进程用pipe()系统调用创建管道，然后用fork()调用创建一个或多个进程，那么，管道的文件描述符将可供所有这些进程使用。pipe()系统调用的具体实现将在下一章介绍。

这里更明确的含义是：一个普通的管道仅可供具有共同祖先的两个进程之间共享，并且这个祖先必须已经建立了供它们使用的管道。

注意：在管道中的数据始终以和写数据相同的次序来进行读，这表示lseek()系统调用对管道不起作用。

下面给出在两个进程之间设置和使用管道的简单程序：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int main(void)
{
int     fd[2], nbytes;
pid_t   childpid;
char    string[] = "Hello, world!\n";
char    readbuffer[80];
pipe(fd);
if((childpid = fork()) == -1)
{
printf("Error:fork");
exit(1);
}
if(childpid == 0)        /* 子进程是管道的写进程 */
{
close(fd[0]);      /*关闭管道的读端 */
write(fd[1], string, strlen(string));
exit(0);
}
else                           /* 父进程是管道的读进程 */
{
close(fd[1]);    /*关闭管道的写端 */
nbytes = read(fd[0], readbuffer, sizeof(readbuffer));
printf("Received string: %s", readbuffer);
}
return(0);
}

注意，在这个例子中，为什么这两个进程都关闭它所不需的管道端呢？这是因为写进程完全关闭管道端时，文件结束的条件被正确地传递给读进程。而读进程完全关闭管道端时，写进程无须等待继续写数据。

阻塞读和写分别成为对空和满管道的默认操作，这些默认操作也可以改变，这就需要调用fcntl()系统调用，对管道文件描述符设置O_NONBLOCK标志可以忽略默认操作：

#include <fcntl.h>

fcntl(fd,F_SETFL,O_NONBlOCK);

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