Linux IPC 2之管道
简介
本文中，我们将学习GNU/Linux管道。管道模型虽然很老但是就算是现在它仍然是一个十分有用的进程间通信机制。我们将会学习什么是半双向管道以及有名管道。它们都提供了一个FIFO（先进先出）排队模型来允许进程间通信。
管道模型
一个形象化管道的描述为——一个在两个实体之间的单向连接器。例如，让我们来看一看下面的这个GNU/Linux命令：
ls | wc -l
这个命令创建了两个进程，一个和ls关联而另一个则和wc -l关联。接着它通过设置第二个进程的标准输入到第一个进程的标准输出连接了这两个进程。这个结果是计算了当前目录的文件数目，如下所示：
root@kali:~/桌面# ls |wc -l
4
root@kali:~/桌面# ls
2016年 2017年 book SIP
我们的命令设置了一个在两个GNU/Linux命令之间的管道。命令ls被执行之后它产生的输出被用作第二个命令wc （word count）的输入。这是一个单向管道——通信发生在一个方向上。
管道的分类
匿名管道
一个匿名管道或者说单向管道，为一个进程提供了和它的一个子进程（匿名的种类）进行通信的方法。这是因为没有可以在操作系统当中找到一个匿名进程的方法。它的最通常的用法是在父进程建立一个匿名管道，然后将这个管道传递给它的子进程，然后它们就可以进行通信了。注意，如果需要双向通信的话，我们考虑使用的API就应该是套接字（sockets）API了。
有名管道
管道的另一种类型是有名管道。一个有名管道其功能和匿名管道差不多，差别就在于它是可以在文件系统中存在的并且所有进程都可以找到它。这意味着没有血缘关系的进程之间可以使用它来进行通信。
管道的实现机制
在Linux中，管道是一种使用非常频繁的通信机制。从本质上说，管道也是一种文件，但它又和一般的文件有所不同，管道可以克服使用文件进行通信的两个问题，具体表现为：
限制管道的大小。实际上，管道是一个固定大小的缓冲区。在Linux中，该缓冲区的大小为1页，即4K字节，使得它的大小不象文件那样不加检验地增长。使用单个固定缓冲区也会带来问题，比如在写管道时可能变满，当这种情况发生时，随后对管道的write()调用将默认地被阻塞，等待某些数据被读取，以便腾出足够的空间供write()调用写。
读取进程也可能工作得比写进程快。当所有当前进程数据已被读取时，管道变空。当这种情况发生时，一个随后的read()调用将默认地被阻塞，等待某些数据被写入，这解决了read()调用返回文件结束的问题。
注意：从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读，它就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据。
管道的结构
在 Linux 中，管道的实现并没有使用专门的数据结构，而是借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。通过将两个 file 结构指向同一个临时的VFS 索引节点，而这个 VFS 索引节点又指向一个物理页面而实现的，如下图：
图中有两个 file 数据结构，但它们定义文件操作例程地址是不同的，其中一个是向管道中写入数据的例程地址，而另一个是从管道中读出数据的例程地址。这样，用户程序的系统调用仍然是通常的文件操作，而内核却利用这种抽象机制实现了管道这一特殊操作。
管道的读写
管道实现的源代码在fs/pipe.c中，在pipe.c中有很多函数，其中有两个函数比较重要，即管道读函数pipe_read()和管道写函数pipe_wrtie()。管道写函数通过将字节复制到 VFS 索引节点指向的物理内存而写入数据，而管道读函数则通过复制物理内存中的字节而读出数据。当然，内核必须利用一定的机制同步对管道的访问，为此，内核使用了锁、等待队列和信号。
当写进程向管道中写入时，它利用标准的库函数write()，系统根据库函数传递的文件描述符，可找到该文件的 file 结构。file 结构中指定了用来进行写操作的函数（即写入函数）地址，于是，内核调用该函数完成写操作。写入函数在向内存中写入数据之前，必须首先检查 VFS 索引节点中的信息，同时满足如下条件时，才能进行实际的内存复制工作：
1. 内存中有足够的空间可容纳所有要写入的数据；
2. 内存没有被读程序锁定。
如果同时满足上述条件，写入函数首先锁定内存，然后从写进程的地址空间中复制数据到内存。否则，写入进程就休眠在 VFS 索引节点的等待队列中，接下来，内核将调用调度程序，而调度程序会选择其他进程运行。写入进程实际处于可中断的等待状态，当内存中有足够的空间可以容纳写入数据，或内存被解锁时，读取进程会唤醒写入进程，这时，写入进程将接收到信号。当数据写入内存之后，内存被解锁，而所有休眠在索引节点的读取进程会被唤醒。
管道的读取过程和写入过程类似。但是，进程可以在没有数据或内存被锁定时立即返回错误信息，而不是阻塞该进程，这依赖文件或管道的打开模式。反之，进程可以休眠在索引节点的等待队列中等待写入进程写入数据。当所有的进程完成了管道操作之后，管道的索引节点被丢弃，而共享数据页也被释放。
管道相关API
(1) 在两个程序之间传递数据的最简单的方法是使用popen()和pclose()函数:
#include<stdio.h>
FILE *popen(const char *command, const char *open_mode);
int pclose(FILE *stream);popen()函数首先调用一个shell，然后把command作为参数传递给shell。这样每次调用popen()函数都需要启动两个进程；但是由于在Linux中，所有的参数扩展(parameter expansion)都是由shell执行的，这样command中包含的所有参数扩展都可以在command程序启动之前完成。
(2) 无名管道pipe()函数:
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);popen()函数只能返回一个管道描述符，并且返回的是文件流(file stream)，可以使用函数fread()和fwrite()来访问。pipe()函数可以返回两个管道描述符:pipefd[0]和pipefd[1]，任何写入pipefd[1]的数据都可以从pipefd[0]读回；pipe()函数返回的是文件描述符(file descriptor)，因此只能使用底层的read()和write()系统调用来访问。pipe()函数通常用来实现父子进程之间的通信。
(3) 命名管道:FIFO
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *fifo_name, mode_t mode);前面两种管道只能用在相关的进程之间(例如父子进程)，使用命名管道可以解决这个问题。在使用open()打开FIFO时，mode中不能包含O_RDWR。mode最常用的是O_RDONLY，O_WRONLY与O_NONBLOCK的组合。O_NONBLOCK影响了read()和write()在FIFO上的执行方式。
Reference Link:
[1] http://blog.csdn.net/fjiale/article/details/5732122
[2] http://www.linuxidc.com/Linux/2013-06/85904.htm
[3] http://www.cnblogs.com/wangkangluo1/archive/2012/05/14/2498786.html
[4] http://www.cnblogs.com/csdndreamer/p/5490655.html
