進程間通訊之管道
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進程間通訊:數據結構
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。ide
本質:讓不一樣的進程能夠訪問同一塊系統資源。函數
實現方式:測試
1、最基本的進程間通訊機制--管道(由pipe函數建立)spa
管道的實現機制 操作系統
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:3d
(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。blog
(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。索引
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。