老大让我学Linux之管道

    什么是管道？管道，很形象的一个词，描述的是linux系统中进程间是如何通信的。可以将一个程序的输出直接连接到另一个程序的输入，常说的管道多为无名管道，无名管道只能用于具有亲缘关系的进程之间。那么非亲缘间的进程怎么通信呢，这就通过named pipe（命名管道）来完成了。不管是半双工的匿名管道还是命名管道，它们都是利用FIFO排队模型来指挥进程间的通信。

    例如我们使用ls –l来列出当前文件夹下有什么文件的信息，我们可以使用管道，将这些结果传递到另一个地方去（这里ls –l估计默认的隐含的管道是指向bash shell，所以我们使用ls –l时总可以看到shell上显示文件信息），我们试试 ls –l | wc –l ，可以得到ls –l所得到的行数，这是因为ls –l的标准输出被设定为第二个进程的标准输入了。这里看到的是命令见的管道连接，应用程序之间也可以如此连接。

    在上面的例子中我们可以这样理解，管道在两个进程间的通信中架起了一座桥梁，它能够缓存输入到管道中的信息，并让其他进程进行读取，所以从本质上来说管道是一种缓冲区，是一种特殊的file。但是和普通file不同的是，linux下的管道是由一定的大小限制的，所以我们一定要小心写管道时管道已满的情况发生，这样写操作会被阻塞。当然读操作也可能被阻塞。（注意管道读操作是一次性操作，数据一旦读取就会被抛弃）。linux中管道并没有使用专门的数据结构来实现，而是借助了文件系统的file和VFS的索引节点inode，两个file结构指向同一个临时的VFS索引节点，然后这个VFS索引节点又指向一个物理页面。

    下面说说管道的具体操作方法：

    管道写函数pipe_write会将待写入的字节复制到VFS索引节点所指向的物理内存，这是完成数据写入，然后管道读函数pipe_read则通过从VFS索引节点所指向物理内存内复制字节，读取出数据，很明显，管道也不是什么神奇的东西，就是一个缓冲区，只是实现方式比较巧妙。

    开发经验告诉我们，凡是涉及到IO的东西，都会跟同步异步有关！！！那么如何解决管道的同步问题？ linux kernel使用了“锁”，“等待队列”，“信号”！！！千年不变的真理！！就是这样解决这些同步异步的问题的。

    下面以一个写的过程来分析管道的IO细节：

    当写进程向管道中写入时，它使用的是标准的库函数write，系统会根据库函数传递进来的文件描述符找到该文件的file结构，前面已经说到file结构会指向一个临时的VFS索引节点，我们知道这个写入地址后，kernel就调用写函数完成写操作，在写入函数在向内存中写入数据前，必须检查VFS索引节点中的信息，只有

（1） 内存中有足够空间容纳要写入的数据

（2） 内存没有被读程序锁定

    同时满足这两个情况时才可以进行实际的内存复制工作，这时写入函数首先会“锁定”那部分内存，然后从写进程的地址空间中复制数据到内存，如果上面两个条件没满足的话，写进程就会休眠在VFS索引节点的等待队列中。等啊等，大家都知道内核会调用调度程序来调度其他进程，当条件满足的时候（也就是有空间或者读进程解锁）这时候读进程会唤醒写进程，写进程将收到“信号”，然后写入完成后，内存自然会被解锁，这次轮到写进程来唤醒所有读进程了。

实例练手：

#include<stdio.h>

#include<unistd.h>

int main()

{

int n , fd[2];     //fd保存开辟的pipe所关联的两个文件描述符

pid_t pid;         //子进程id

char line[100];

if ( pipe(fd) <0 )     //创建匿名管道

                           //named pipe使用函数int mkfifo(const char *filename, mode_t mode); 来创建

    printf(“pipe create error\n”);

if ( (pid=fork()) < 0 )

    printf(“fork error\n”);

else if ( pid > 0)

{

  close(fd[0]);

  write(fd[1],”hello world\n”,11);

}

else

{

  close(fd[0]);

  n = read ( fd[0],line,100);

  write( STDOUT_FILENO,line,n);

}

}

插个小曲：按照这个例子，凭着大二学操作系统时做linux作业的一点点印象和自己对linux系统和命令的使用方法的猜测，成功编译了文件，一开始在vi中写完文件后文件保存为testPipe，使用gcc来编译发现没办法编译，马上想到应该给个.c的后缀吧，虽然linux内很多文件都不给后缀，然后就使用前面刚学的cp将testPipe 复制到 testPipe.c，其实也可以使用文件重命名的命令。然后使用gcc编译，发现没有什么反应，man一下gcc，找到需要添加-o来指定输出文件，试试输出到a，然后使用./a来执行，运行成功。

接下来是shell中使用管道

基本过程：

  （1）shellA 创建named pipe 读取管道内容，没有内容则阻塞等待

  （2）shellB 将内容输入到管道

  （3）shellA 被唤醒并输出读取的内容

shellA:

  mkfifo –m 0644 /tmp/cmd_pipe            //创建（named-pipe）有名管道 ，我们平时所用的 | 实际上就是匿名管道

  cat /tmp/cmd_pipe

shellB:

  echo Hi > /tmp/cmd_pipe

shellA:

  Hi

最后贴上两篇好文章：

http://blogold.chinaunix.net/u/28197/showart_2532171.html       这一篇分析了管道的相关源码

http://www.pcdog.com/edu/linux/13/11/y237288.html        这一篇好像是某本书里面关于管道这一章