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本篇內(nèi)容主要講解“Linux的管道是什么”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡(jiǎn)單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“Linux的管道是什么”吧!
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管道是Linux由Unix那里繼承過來的進(jìn)程間的通信機(jī)制，它是Unix早期的一個(gè)重要通信機(jī)制。其思想是，在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)共享文件，從而使通信雙方利用這個(gè)共享文件來傳遞信息。由于這種方式具有單向傳遞數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，所以這個(gè)作為傳遞消息的共享文件就叫做“管道”。
在管道的具體實(shí)現(xiàn)中，根據(jù)通信所使用的的文件是否具有名稱，有“匿名管道”和“命名管道”。
管道與共享內(nèi)存的區(qū)別
乍一看，感覺管道和共享內(nèi)存并不是區(qū)別很大，這里介紹一下兩者之間的區(qū)別：
管道需要在內(nèi)核和用戶空間進(jìn)行四次的數(shù)據(jù)拷貝：由用戶空間的buf中將數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核中 -> 內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存中 -> 內(nèi)存到內(nèi)核 -> 內(nèi)核到用戶空間的buf。而共享內(nèi)存則只拷貝兩次數(shù)據(jù)：用戶空間到內(nèi)存 -> 內(nèi)存到用戶空間。
管道用循環(huán)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，連續(xù)傳送數(shù)據(jù)可以不限大小。共享內(nèi)存每次傳遞數(shù)據(jù)大小是固定的；
共享內(nèi)存可以隨機(jī)訪問被映射文件的任意位置，管道只能順序讀寫；
管道可以獨(dú)立完成數(shù)據(jù)的傳遞和通知機(jī)制，共享內(nèi)存需要借助其他通訊方式進(jìn)行消息傳遞。
也就是說，兩者之間最大的區(qū)別就是： 共享內(nèi)存區(qū)是最快的可用IPC形式，一旦這樣的內(nèi)存區(qū)映射到共享它的進(jìn)程的地址空間，這些進(jìn)程間數(shù)據(jù)的傳遞，就不再通過執(zhí)行任何進(jìn)入內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用來傳遞彼此的數(shù)據(jù)，節(jié)省了時(shí)間。
匿名管道
匿名管道是在具有公共祖先的進(jìn)程之間進(jìn)行通信的一種方式。
前面在介紹進(jìn)程的創(chuàng)建時(shí)講到，由父進(jìn)程創(chuàng)建的子進(jìn)程將會(huì)賦值父進(jìn)程包括文件在內(nèi)的一些資源。如果父進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程之前創(chuàng)建了一個(gè)文件，那么這個(gè)文件的描述符就會(huì)被父進(jìn)程在隨后所創(chuàng)建的子進(jìn)程所共享。也就是說，父、子進(jìn)程可以通過這個(gè)文件進(jìn)行通信。如果通信的雙方一方只能進(jìn)行讀操作，而另一方只能進(jìn)行寫操作，那么這個(gè)文件就是一個(gè)只能單方向傳送消息的管道，如下圖所示：
進(jìn)程可以通過調(diào)用函數(shù)pipe()創(chuàng)建一個(gè)管道。函數(shù)pipe()的原型如下：
int pipe(int fildes[2]);
與該函數(shù)pipe()相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用sys_pipe()的原型如下：
asmlinkage int sys_pipe(unsigned long __user * fildes);
從本質(zhì)上來說，pipe()函數(shù)的功能就是創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存文件，但與創(chuàng)建普通文件的函數(shù)不同，函數(shù)pipe()將在參數(shù)fildes中為進(jìn)程返回這個(gè)文件的兩個(gè)文件描述符fildes[0]和fildes[1]。其中，fildes[0]是一個(gè)具有“只讀”屬性的文件描述符，fildes[1]是一個(gè)具有“只寫”屬性的文件描述符，即進(jìn)程通過fildes[0]只能進(jìn)行文件的讀操作，而通過fildes[1]只能進(jìn)行文件的寫操作。
這樣，就使得這個(gè)文件像一段只能單向流通的管道一樣，一頭專門用來輸入數(shù)據(jù)，另一頭專門用來輸出數(shù)據(jù)，所以稱為管道。由于這種文件沒有文件名，不能被非親進(jìn)程所打開，只能用于親屬進(jìn)程間的通信，所以這種沒有名稱的文件形成的通信管道叫做“匿名管道”。
顯然，如果父進(jìn)程創(chuàng)建的這種文件只是用來通信，那么它感興趣的只是該文件所占用的內(nèi)存空間，所以也就沒有必要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)正式文件，只需創(chuàng)建一個(gè)只存在于內(nèi)存的臨時(shí)文件。從這一點(diǎn)來看，匿名管道與共享內(nèi)存具有共同點(diǎn)，只不過匿名管道時(shí)單向通信，而且這個(gè)通信只能在親屬進(jìn)程間進(jìn)行。
為支持匿名管道，內(nèi)核初始化時(shí)由內(nèi)核函數(shù)kernel_mount()安裝了一種特殊的文件系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中所創(chuàng)建的都是臨時(shí)文件。
由于匿名管道是一個(gè)文件，所以它也有i節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如下：
struct inode
{
...
struct file_operations *i_fop; //文件操作函數(shù)集
struct pipe_inode_info *i_pipe; //管道文件指針
...
};
可以看到，在i節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)中有一個(gè)pipe_inode_info類型的指針i_pipe，在普通文件中這個(gè)指針的值為NULL，而在管道文件中這個(gè)指針則只想一個(gè)叫做管道節(jié)點(diǎn)信息結(jié)構(gòu)的pipe_inode_info，以表明這是一個(gè)管道文件。pipe_inode_info的結(jié)構(gòu)如下：
struct pipe_inode_info {
wait_queue_head_t wait; //等待進(jìn)程隊(duì)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(jìn)程計(jì)數(shù)器
unsigned int w_counter; //以只寫方式訪問管道的進(jìn)程計(jì)數(shù)器
struct fasync_struct *fasync_readers;
struct fasync_struct *fasync_writers;
struct inode *inode;
struct pipe_buffer bufs[PIPE_BUFFERS]; //緩沖區(qū)數(shù)組
};
結(jié)構(gòu)中的域bufs就是構(gòu)成管道的內(nèi)存緩沖區(qū)。該緩沖區(qū)用結(jié)構(gòu)pipe_buffer來描述：
struct pipe_buffer {
struct page *page; //緩沖頁的結(jié)構(gòu)
unsigned int offset, len;
const struct pipe_buf_operations *ops; //緩沖區(qū)的操作函數(shù)集指針
unsigned int flags;
unsigned long private;
};
從上面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中可以看到，管道實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)被當(dāng)做文件來管理的內(nèi)存緩沖區(qū)。
在創(chuàng)建一個(gè)管道的i節(jié)點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)inode中的域i_fop被賦予rdwr_pipefifo_fops，即管道文件本身是既可讀又可寫的。rdwr_pipefifo_fops在文件linux/fs/pipe.c中的定義如下：
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,
};
而為進(jìn)程所創(chuàng)建的打開文件描述符fildes[0]和fildes[1]中的i_fop，則被分別賦予了只讀的函數(shù)操作集read_pipefifo_fops和只寫的函數(shù)操作集write_pipefifo_fops。
read_pipefifo_fops和write_pipefifo_fops這兩個(gè)操作函數(shù)集在文件linux/fs/pipe.c中分別定義如下：
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,
};
創(chuàng)建匿名管道的進(jìn)程與管道之間的關(guān)系如下圖所示：
當(dāng)一個(gè)進(jìn)程調(diào)用函數(shù)pipe()創(chuàng)建一個(gè)管道后，管道的連接方式如下所示：
從圖中可以看到，由于管道的出入口都在同一個(gè)進(jìn)程之中，這種管道沒有多大的用途的。但是當(dāng)這個(gè)進(jìn)程在創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程之后，情況就變得大不一樣了。
如果父進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)管道之后，又創(chuàng)建了一個(gè)子進(jìn)程，那么由于子進(jìn)程繼承了父進(jìn)程的文件資源，于是管道在父子進(jìn)程中的連接情況就變成如下圖一樣的情況了：
在確定管道的傳輸方向之后，在父進(jìn)程中關(guān)閉（close()）文件描述符fildes[0]，在子進(jìn)程中關(guān)閉（close()）文件描述符fildes[1]，于是管道的連接情況就變成如下情況的單向傳輸管道：
也可以想象，通過關(guān)閉文件描述符的方法，在兩個(gè)兄弟進(jìn)程之間也可以實(shí)現(xiàn)通信管道。
創(chuàng)建完管道之后，怎么利用管道來進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信呢？
管道使用read()和write()函數(shù)，采用字節(jié)流的方式，具有流動(dòng)性，讀數(shù)據(jù)時(shí)，每讀一段數(shù)據(jù)，則管道內(nèi)會(huì)清除已讀走的數(shù)據(jù)。
讀管道時(shí)，若管道為空，則被堵塞，直至管道另一端write將數(shù)據(jù)寫入到管道為止。若寫段已關(guān)閉，則返回0；
寫管道時(shí)，若管道已滿，則被阻塞，直到管道另一端read將管道內(nèi)數(shù)據(jù)取走為止。
用close()函數(shù)，在創(chuàng)建管道時(shí)，寫端需要關(guān)閉fildes[0]描述符，讀端需要關(guān)閉fildes[1]描述符。當(dāng)進(jìn)程關(guān)閉前，每個(gè)進(jìn)程需要將沒有關(guān)閉的描述符都進(jìn)行關(guān)閉。
匿名管道具有如下特點(diǎn)：
由于這種管道沒有其他同步措施，所以為了不產(chǎn)生混亂，它只能是半雙工的，即數(shù)據(jù)只能向一個(gè)方向流動(dòng)。如果需要雙方互相傳遞數(shù)據(jù)，則需要建立兩個(gè)管道；
只能在父子進(jìn)程或兄弟進(jìn)程這些具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間進(jìn)行通信；
匿名管道對(duì)于管道兩端的進(jìn)程而言，就是一個(gè)只存在于內(nèi)存的特殊文件；
一個(gè)進(jìn)程向管道中寫的內(nèi)容被管道另一端的進(jìn)程讀取。寫入的內(nèi)容每次都添加在管道緩沖區(qū)的末尾，并且每次都是從緩沖區(qū)的頭部讀取數(shù)據(jù)。
匿名管道的局限性主要有兩點(diǎn)：一是由于管道建立在內(nèi)存中，所以它的容量不可能很大；二是管道所傳送的是無格式字節(jié)流，這就要求使用管道的雙方實(shí)現(xiàn)必須對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式進(jìn)行約定。
例子：在父子進(jìn)程之間利用匿名管道通信。
#include
#include
#include
#include
#define MAX_LINE 80
int main()
{
int testPipe[2], ret;
char buf[MAX_LINE + 1];
const char * testbuf = "主程序發(fā)送的數(shù)據(jù)";
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(shù)據(jù)為：%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
由于匿名管道沒有名稱，因此，它只能在一些具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間進(jìn)行通信，這使它在應(yīng)用方面受到極大的限制。
命名管道是在實(shí)際文件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的一種通信機(jī)制。由于它是一個(gè)與進(jìn)程沒有“血緣關(guān)系”的、真正且獨(dú)立的文件，所以它可以在任意進(jìn)程之間實(shí)現(xiàn)通信。由于命名管道不支持諸如lseek()等文件定位操作，嚴(yán)格遵守先進(jìn)先出的原則進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，即對(duì)管道的讀總是從開始處返回?cái)?shù)據(jù)，對(duì)它的寫總是把數(shù)據(jù)添加到末尾，所以這種管道也叫做FIFO文件。
同樣，由于需要由管道自身來保證通信進(jìn)程間的同步，命名管道也是一個(gè)只能單方向訪問的文件，并且數(shù)據(jù)傳輸方式為FIFO方式。
也就是說，命名管道提供了一個(gè)路徑名與之關(guān)聯(lián)，以FIFO的文件形式存在于文件系統(tǒng)中，在文件系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)物理文件，其他進(jìn)程只要訪問該文件路徑，就能彼此通過管道通信。在讀數(shù)據(jù)端以只讀方式打開管道文件，在寫數(shù)據(jù)端以只寫方式打開管道文件。
FIFO文件與普通文件的區(qū)別：
普通文件無法實(shí)現(xiàn)字節(jié)流方式管理，而且多進(jìn)程之間訪問共享資源會(huì)造成意想不到的問題；
FIFO文件采用字節(jié)流方式管理，遵循先入先出原則，不涉及共享資源訪問。
操作流程為：mkfifo -> open -> read（write） -> close ->unlink。
到此，相信大家對(duì)“Linux的管道是什么”有了更深的了解，不妨來實(shí)際操作一番吧！這里是創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！
