【Linux】Linux的管道

管道是Linux由Unix那裏繼承過來的進程間的通訊機制，它是Unix早期的一個重要通訊機制。其思想是，在內存中建立一個共享文件，從而使通訊雙方利用這個共享文件來傳遞信息。因爲這種方式具備單向傳遞數據的特色，因此這個做爲傳遞消息的共享文件就叫作「管道」。

在管道的具體實現中，根據通訊所使用的的文件是否具備名稱，有「匿名管道」和「命名管道」。

 

管道與共享內存的區別
乍一看，感受管道和共享內存並非區別很大，這裏介紹一下二者之間的區別：

管道須要在內核和用戶空間進行四次的數據拷貝：由用戶空間的buf中將數據拷貝到內核中 -> 內核將數據拷貝到內存中 -> 內存到內核 -> 內核到用戶空間的buf。而共享內存則只拷貝兩次數據：用戶空間到內存 -> 內存到用戶空間。
管道用循環隊列實現，連續傳送數據能夠不限大小。共享內存每次傳遞數據大小是固定的；
共享內存能夠隨機訪問被映射文件的任意位置，管道只能順序讀寫；
管道能夠獨立完成數據的傳遞和通知機制，共享內存須要藉助其餘通信方式進行消息傳遞。
也就是說，二者之間最大的區別就是： 共享內存區是最快的可用IPC形式，一旦這樣的內存區映射到共享它的進程的地址空間，這些進程間數據的傳遞，就再也不經過執行任何進入內核的系統調用來傳遞彼此的數據，節省了時間。

 

匿名管道
匿名管道是在具備公共祖先的進程之間進行通訊的一種方式。

前面在介紹進程的建立時講到，由父進程建立的子進程將會賦值父進程包括文件在內的一些資源。若是父進程建立子進程以前建立了一個文件，那麼這個文件的描述符就會被父進程在隨後所建立的子進程所共享。也就是說，父、子進程能夠經過這個文件進行通訊。若是通訊的雙方一方只能進行讀操做，而另外一方只能進行寫操做，那麼這個文件就是一個只能單方向傳送消息的管道，以下圖所示：

進程能夠經過調用函數pipe()建立一個管道。函數pipe()的原型以下：

int pipe(int fildes[2]);
與該函數pipe()相對應的系統調用sys_pipe()的原型以下：

asmlinkage int sys_pipe(unsigned long __user * fildes);
從本質上來講，pipe()函數的功能就是建立一個內存文件，但與建立普通文件的函數不一樣，函數pipe()將在參數fildes中爲進程返回這個文件的兩個文件描述符fildes[0]和fildes[1]。其中，fildes[0]是一個具備「只讀」屬性的文件描述符，fildes[1]是一個具備「只寫」屬性的文件描述符，即進程經過fildes[0]只能進行文件的讀操做，而經過fildes[1]只能進行文件的寫操做。

這樣，就使得這個文件像一段只能單向流通的管道同樣，一頭專門用來輸入數據，另外一頭專門用來輸出數據，因此稱爲管道。因爲這種文件沒有文件名，不能被非親進程所打開，只能用於親屬進程間的通訊，因此這種沒有名稱的文件造成的通訊管道叫作「匿名管道」。

顯然，若是父進程建立的這種文件只是用來通訊，那麼它感興趣的只是該文件所佔用的內存空間，因此也就沒有必要建立一個正式文件，只需建立一個只存在於內存的臨時文件。從這一點來看，匿名管道與共享內存具備共同點，只不過匿名管道時單向通訊，並且這個通訊只能在親屬進程間進行。

爲支持匿名管道，內核初始化時由內核函數kernel_mount()安裝了一種特殊的文件系統，在該系統中所建立的都是臨時文件。

因爲匿名管道是一個文件，因此它也有i節點，其結構以下：

struct inode
{
        ...
        struct file_operations *i_fop;            //文件操做函數集
        struct pipe_inode_info *i_pipe;           //管道文件指針
        ...
};
能夠看到，在i節點的結構中有一個pipe_inode_info類型的指針i_pipe，在普通文件中這個指針的值爲NULL，而在管道文件中這個指針則只想一個叫作管道節點信息結構的pipe_inode_info，以代表這是一個管道文件。pipe_inode_info的結構以下：

struct pipe_inode_info {
    wait_queue_head_t wait;            //等待進程隊列
    unsigned int nrbufs, curbuf;
    struct page *tmp_page;
    unsigned int readers;
    unsigned int writers;
    unsigned int waiting_writers;
    unsigned int r_counter;            //以只讀方式訪問管道的進程計數器
    unsigned int w_counter;            //以只寫方式訪問管道的進程計數器
    struct fasync_struct *fasync_readers;
    struct fasync_struct *fasync_writers;
    struct inode *inode;
    struct pipe_buffer bufs[PIPE_BUFFERS];            //緩衝區數組
};
結構中的域bufs就是構成管道的內存緩衝區。該緩衝區用結構pipe_buffer來描述：

struct pipe_buffer {
    struct page *page;                    //緩衝頁的結構
    unsigned int offset, len;
    const struct pipe_buf_operations *ops;            //緩衝區的操做函數集指針
    unsigned int flags;
    unsigned long private;
};
從上面的數據結構中能夠看到，管道實質上就是一個被當作文件來管理的內存緩衝區。

在建立一個管道的i節點時，結構inode中的域i_fop被賦予rdwr_pipefifo_fops，即管道文件自己是既可讀又可寫的。rdwr_pipefifo_fops在文件linux/fs/pipe.c中的定義以下：

const struct file_operations rdwr_pipefifo_fops = {
    .llseek        = no_llseek,
    .read        = do_sync_read,
    .aio_read    = pipe_read,
    .write        = do_sync_write,
    .aio_write    = pipe_write,
    .poll        = pipe_poll,
    .unlocked_ioctl    = pipe_ioctl,
    .open        = pipe_rdwr_open,
    .release    = pipe_rdwr_release,
    .fasync        = pipe_rdwr_fasync,
};
而爲進程所建立的打開文件描述符fildes[0]和fildes[1]中的i_fop，則被分別賦予了只讀的函數操做集read_pipefifo_fops和只寫的函數操做集write_pipefifo_fops。

read_pipefifo_fops和write_pipefifo_fops這兩個操做函數集在文件linux/fs/pipe.c中分別定義以下：

const struct file_operations read_pipefifo_fops = {
    .llseek        = no_llseek,
    .read        = do_sync_read,
    .aio_read    = pipe_read,
    .write        = bad_pipe_w,
    .poll        = pipe_poll,
    .unlocked_ioctl    = pipe_ioctl,
    .open        = pipe_read_open,
    .release    = pipe_read_release,
    .fasync        = pipe_read_fasync,
};
 
const struct file_operations write_pipefifo_fops = {
    .llseek        = no_llseek,
    .read        = bad_pipe_r,
    .write        = do_sync_write,
    .aio_write    = pipe_write,
    .poll        = pipe_poll,
    .unlocked_ioctl    = pipe_ioctl,
    .open        = pipe_write_open,
    .release    = pipe_write_release,
    .fasync        = pipe_write_fasync,
};
建立匿名管道的進程與管道之間的關係以下圖所示：

當一個進程調用函數pipe()建立一個管道後，管道的鏈接方式以下所示：

從圖中能夠看到，因爲管道的出入口都在同一個進程之中，這種管道沒有多大的用途的。可是當這個進程在建立一個新進程以後，狀況就變得大不同了。

若是父進程建立一個管道以後，又建立了一個子進程，那麼因爲子進程繼承了父進程的文件資源，因而管道在父子進程中的鏈接狀況就變成以下圖同樣的狀況了：

在肯定管道的傳輸方向以後，在父進程中關閉（close()）文件描述符fildes[0]，在子進程中關閉（close()）文件描述符fildes[1]，因而管道的鏈接狀況就變成以下狀況的單向傳輸管道：

也能夠想象，經過關閉文件描述符的方法，在兩個兄弟進程之間也能夠實現通訊管道。

建立完管道以後，怎麼利用管道來進行數據的通訊呢？

管道使用read()和write()函數，採用字節流的方式，具備流動性，讀數據時，每讀一段數據，則管道內會清除已讀走的數據。

讀管道時，若管道爲空，則被堵塞，直至管道另外一端write將數據寫入到管道爲止。若寫段已關閉，則返回0；
寫管道時，若管道已滿，則被阻塞，直到管道另外一端read將管道內數據取走爲止。
用close()函數，在建立管道時，寫端須要關閉fildes[0]描述符，讀端須要關閉fildes[1]描述符。當進程關閉前，每一個進程須要將沒有關閉的描述符都進行關閉。

匿名管道具備以下特色：

因爲這種管道沒有其餘同步措施，因此爲了避免產生混亂，它只能是半雙工的，即數據只能向一個方向流動。若是須要雙方互相傳遞數據，則須要創建兩個管道；
只能在父子進程或兄弟進程這些具備親緣關係的進程之間進行通訊；
匿名管道對於管道兩端的進程而言，就是一個只存在於內存的特殊文件；
一個進程向管道中寫的內容被管道另外一端的進程讀取。寫入的內容每次都添加在管道緩衝區的末尾，而且每次都是從緩衝區的頭部讀取數據。
匿名管道的侷限性主要有兩點：一是因爲管道創建在內存中，因此它的容量不可能很大；二是管道所傳送的是無格式字節流，這就要求使用管道的雙方實現必須對傳輸的數據格式進行約定。

例子：在父子進程之間利用匿名管道通訊。

#include <unist.h>
#include <string.h>
#include <wait.h>
#include <stdio.h>
 
#define MAX_LINE 80
 
int main()
{
    int testPipe[2], ret;
    char buf[MAX_LINE + 1];
    const char * testbuf = "主程序發送的數據";
 
    if (pipe(testbuf) == 0) {
        if (fork() == 0) {
            ret = read(testPipe[0], buf, MAX_LINE);
            buf[ret] = 0;
            printf("子程序讀到的數據爲：%s", buf);
            close(testPipe[0]);
        }else {
            ret = write(testPipe[1], testbuf, strlen(testbuf));
            ret = wait(NULL);
            close(testPipe[1]);
        }
    }
    
    return 0;
}
 

命名管道
因爲匿名管道沒有名稱，所以，它只能在一些具備親緣關係的進程之間進行通訊，這使它在應用方面受到極大的限制。

命名管道是在實際文件系統上實現的一種通訊機制。因爲它是一個與進程沒有「血緣關係」的、真正且獨立的文件，因此它能夠在任意進程之間實現通訊。因爲命名管道不支持諸如lseek()等文件定位操做，嚴格遵照先進先出的原則進行傳輸數據，即對管道的讀老是從開始處返回數據，對它的寫老是把數據添加到末尾，因此這種管道也叫作FIFO文件。

一樣，因爲須要由管道自身來保證通訊進程間的同步，命名管道也是一個只能單方向訪問的文件，而且數據傳輸方式爲FIFO方式。

也就是說，命名管道提供了一個路徑名與之關聯，以FIFO的文件形式存在於文件系統中，在文件系統中產生一個物理文件，其餘進程只要訪問該文件路徑，就能彼此經過管道通訊。在讀數據端以只讀方式打開管道文件，在寫數據端以只寫方式打開管道文件。

FIFO文件與普通文件的區別：

普通文件沒法實現字節流方式管理，並且多進程之間訪問共享資源會形成意想不到的問題；
FIFO文件採用字節流方式管理，遵循先入先出原則，不涉及共享資源訪問。
操做流程爲：mkfifo -> open -> read（write） -> close ->unlink。

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