unix內核源碼剖析【11. 管道】

1、參考

Unix內核源碼剖析

2、什麼是管道

管道是在父進程和子進程之間通訊的機制，由於進程擁有各自獨立的虛擬地址空間，所
以任意進程沒法直接訪問其餘進程擁有的數據。爲了實現進程間的通訊，設計了管道。

管道對文件系統的一部分進行了巧妙的應用，使得進程間的通訊成爲可能，管道首先獲取根磁盤的inode, 而後利用該inode指向的存儲區進行數據交換。這個文件(inode和存儲區域)構成了管道的實體。管道的容量由PIPSIZE定義於ken/pipe.c

利用管道進行的通訊過程以下：
（1）發送發的進程向管道寫入數據，直到管道被充滿；
（2）切換到接收方的進程，使得從管道讀入數據，已經接收的數據從管道中被刪除；
（3）數據所有讀取後，切換到發送發的進程，返回（1）的處理

發送方以與管道相對應的inode[]元素的地址+1， 接收方以該地址+2爲參數執行sleep()

使用管道的優勢：

在進程間傳遞數據也能夠經過臨時文件來實現，與臨時文件相比，使用管道的優勢：
（1）可以使用的塊設備的資源是有限的，管道的容量爲固定的4096字節，所以，即便用來交換更大容量的數據也不會佔用更多的塊設備區域，而使用臨時文件時候，會佔用與所交換的數據相等容量的塊設備區域
（2）管道所須要的緩衝區的容量小於緩衝區的總容量，利於發揮塊設備緩衝區的緩存功能，並且，當發送方的進程將數據寫入管道後，接收方的進程將立刻進行讀取，塊設備的緩存效果會更加明顯，當使用臨時文件時候，若是須要輸出大於設備緩衝區容量的文件，緩衝區所帶來的緩存效果將所以受到影響；
可是，當使用管道，且執行進程由發送方切換到接收方時候，若是存在執行優先級更高的進程，且該進程也使用了塊設備的緩衝區的時候，則沒法期待緩衝區帶來的緩存效果。此時，雖然性能沒有獲得改善，可是因爲數據已經輸出到塊設備，所以對通訊內容自己不會形成影響。

管道基於現有的文件系統，實現的成本較低，儘管佔用的資源較少，可是卻實現了進程之間的高速通訊，低投入高產出能夠視爲管道最大的魅力。

3、開始管道通訊

系統調用pipe用來創建管道通訊，pipe()是系統調用的處理函數

首先在user.u_ofile[]和file[]中分配供read和write使用的元素，而後獲取根磁盤的inode[]元素，將供read和write使用的file[]元素指向該inode[]元素，爲file[]元素設置表示管道的FPIPE標誌位

read和write使用的文件描述符返還給用戶程序，用戶程序對該文件描述符，能夠像對待通常文件同樣進行讀寫，實現管道通訊。

4、收發數據

對經過系統調用pipe取得的文件描述符，能夠像對待通常文件那樣執行系統調用read和write，從而實現數據收發

當設置了file[]元素的FPIPE標誌位時候，在rdwr()方法中執行writep()和readp()方法

4.1 writep

writep()用於對管道進行寫入處理，由於管道的實體爲文件，因此採用與對待通常文件相同的方式調用writei()寫入數據，當管道被充滿（4096字節）時候進入睡眠狀態，若是存在等待管道被寫入數據的進程，則將其喚醒；可是，和通常文件處理不一樣，文件偏移量file.f_offset不會發生變化

5、結束管道通訊