進程間通訊之管道

進程間通訊之管道

進程間通訊：

每一個進程各自有不一樣的用戶地址空間,任何一個進程的全局變量在另外一個進程中都看不到，因此進程之間要交換數據必須經過內核(操做系統),在內核中開闢一塊緩衝區,進程1把數據從用戶空間拷到內核緩衝區,進程2再從內核緩衝區把數據讀走,內核提供的這種機制稱爲進程間通訊。

本質：讓不一樣的進程能夠訪問同一塊系統資源。

實現方式：

1、最基本的進程間通訊機制--管道（由pipe函數建立）

 

管道的實現機制 

在Linux中，管道是一種使用很是頻繁的通訊機制。從本質上說，管道也是一種文件，但它又和通常的文件有所不一樣，管道能夠克服使用文件進行通訊的兩個問題，具體表現爲：

 

(1)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，該緩衝區的大小爲1頁，即4K字節，使得它的大小不像文件那樣不加檢驗地增加。使用單個固定緩衝區也會帶來問題，好比在寫管道時可能變滿，當這種狀況發生時，隨後再對管道的write()調用將默認地被阻塞，等待某些數據被讀取，以便騰出足夠的空間供write()調用寫。

(2)讀取進程時也可能工做得比寫進程快。當全部當前進程數據已被讀取時，管道變空。當這種狀況發生時，一個隨後的read()調用將默認地被阻塞，等待某些數據被寫入，這解決了read()調用返回文件結束的問題。

注意：從管道讀數據是一次性操做，數據一旦被讀，它就從管道中被拋棄，釋放空間以便寫更多的數據。

一、管道的結構：

在Linux中，管道的實現並無使用專門的數據結構，而是藉助了文件系統的file結構和VFS的索引節點inode。經過將兩個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。如下圖所示：

上圖中兩個 file 數據結構，但它們定義文件操做例程地址是不一樣的，其中一個是向管道中寫入數據的例程地址，而另外一個是從管道中讀出數據的例程地址。這樣，用戶程序的系統調用仍然是一般的文件操做，而內核卻利用這種抽象機制實現了管道這一特殊操做。

二、管道的讀寫

管道實現的源代碼在fs/pipe.c中，在pipe.c中有不少函數，其中有兩個函數比較重要，即管道讀函數pipe_read()和管道寫函數pipe_wrtie()。管道寫函數經過將字節複製到VFS索引節點指向的物理內存而寫入數據，而管道讀函數則經過複製物理內存中的字節而讀出數據。固然，內核必須利用必定的機制同步對管道的訪問，爲此，內核使用了鎖、等待隊列和信號。

當寫進程向管道中寫入時，它利用標準的庫函數write()，系統根據庫函數傳遞的文件描述符，可找到該文件的file結構。file結構中指定了用來進行寫操做的函數（即寫入函數）地址，因而，內核調用該函數完成寫操做。寫入函數在向內存中寫入數據以前，必須首先檢查VFS索引節點中的信息，同時知足以下條件時，才能進行實際的內存複製工做：

· 內存中有足夠的空間可容納全部要寫入的數據；

· 內存沒有被讀程序鎖定。

若是同時知足上述條件，寫入函數首先鎖定內存，而後從寫進程的地址空間中複製數據到內存。不然，寫入進程就休眠在VFS索引節點的等待隊列中，接下來，內核將調用調度程序，而調度程序會選擇其餘進程運行。寫入進程實際處於可中斷的等待狀態，當內存中有足夠的空間能夠容納寫入數據，或內存被解鎖時，讀取進程會喚醒寫入進程，這時，寫入進程將接收到信號。當數據寫入內存以後，內存被解鎖，而全部休眠在索引節點的讀取進程會被喚醒。

管道的讀取過程和寫入過程相似。可是，進程能夠在沒有數據或內存被鎖定時當即返回錯誤信息，而不是阻塞該進程，這依賴於文件或管道的打開模式。反之，進程能夠休眠在索引節點的等待隊列中等待寫入進程寫入數據。當全部的進程完成了管道操做以後，管道的索引節點被丟棄，而共享數據頁也被釋放。

所以管道的實現涉及不少文件的操做。

獲取Linux 內存頁（基頁）大小的命令：getconf  PAGE_SIZE ，通常的輸出是4096，即 4KB。

    管道建立後如何實現兩個進程間的通訊（好比以下實現步驟）

 實現步驟：

 一、父進程調用pipe開闢管道,獲得兩個文件描述符指向管道的兩端。以下圖：

 二、父進程調用fork建立子進程,那麼子進程也有兩個文件描述符指向同一管道。以下圖：

 三、父進程關閉管道讀端,子進程關閉管道寫端。父進程能夠往管道里寫,子進程能夠從管道里讀,管道是用環形隊列實現的,數據從寫端流入從讀端流出,這樣就實現了進程間通訊。以下圖：

演示代碼：

   管道的特色：

    1、管道只容許具備血緣關係的進程間通訊，如父子進程間的通訊。

    2、管道只容許單向通訊。

    3、依賴文件系統

    4、面向字節流

    5、管道隨進程，進程在管道在，進程消失管道對應的端口也關閉，兩個進程都消失管道也消失。

管道的容量

測試代碼以下圖：

    運行結果以下：

    由運行結果可得，管道容量約爲64KB。

注意管道如下的四種特殊狀況：

    一、寫端關閉，讀端繼續，當把管道中剩餘的數據讀完，再次read將返回0，就像讀到文件末尾同樣。

二、寫端不關，且寫端不寫，讀端繼續，當管道中剩餘的數據都被讀取後，再次read將被阻塞，直到管道中有數據可讀了纔讀取數據並返回。

三、讀端關閉，進程向管道的寫端write，那麼進程會收到信號SIGPIPE，致使進程異常終止。

四、讀端不關且讀端不讀，寫端繼續，管道被寫滿時再次write會阻塞，直到管道中有空位置了才寫入數據並返回。