unix内核源码剖析【11. 管道】

一、参考

Unix内核源码剖析

二、什么是管道

管道是在父进程和子进程之间通信的机制，因为进程拥有各自独立的虚拟地址空间，所
以任意进程无法直接访问其他进程拥有的数据。为了实现进程间的通信，设计了管道。

管道对文件系统的一部分进行了巧妙的应用，使得进程间的通信成为可能，管道首先获取根磁盘的inode, 然后利用该inode指向的存储区进行数据交换。这个文件(inode和存储区域)构成了管道的实体。管道的容量由PIPSIZE定义于ken/pipe.c

利用管道进行的通信过程如下：
（1）发送发的进程向管道写入数据，直到管道被充满；
（2）切换到接收方的进程，使得从管道读入数据，已经接收的数据从管道中被删除；
（3）数据全部读取后，切换到发送发的进程，返回（1）的处理

发送方以与管道相对应的inode[]元素的地址+1， 接收方以该地址+2为参数执行sleep()

使用管道的优点：

在进程间传递数据也可以通过临时文件来实现，与临时文件相比，使用管道的优点：
（1）可使用的块设备的资源是有限的，管道的容量为固定的4096字节，因此，即使用来交换更大容量的数据也不会占用更多的块设备区域，而使用临时文件时候，会占用与所交换的数据相等容量的块设备区域
（2）管道所需要的缓冲区的容量小于缓冲区的总容量，利于发挥块设备缓冲区的缓存功能，而且，当发送方的进程将数据写入管道后，接收方的进程将马上进行读取，块设备的缓存效果会更加明显，当使用临时文件时候，如果需要输出大于设备缓冲区容量的文件，缓冲区所带来的缓存效果将因此受到影响；
但是，当使用管道，且执行进程由发送方切换到接收方时候，如果存在执行优先级更高的进程，且该进程也使用了块设备的缓冲区的时候，则无法期待缓冲区带来的缓存效果。此时，虽然性能没有得到改善，但是由于数据已经输出到块设备，因此对通信内容本身不会造成影响。

管道基于现有的文件系统，实现的成本较低，尽管占用的资源较少，但是却实现了进程之间的高速通信，低投入高产出可以视为管道最大的魅力。

三、开始管道通信

系统调用pipe用来建立管道通信，pipe()是系统调用的处理函数

首先在user.u_ofile[]和file[]中分配供read和write使用的元素，然后获取根磁盘的inode[]元素，将供read和write使用的file[]元素指向该inode[]元素，为file[]元素设置表示管道的FPIPE标志位

read和write使用的文件描述符返还给用户程序，用户程序对该文件描述符，可以像对待一般文件一样进行读写，实现管道通信。

四、收发数据

对通过系统调用pipe取得的文件描述符，可以像对待一般文件那样执行系统调用read和write，从而实现数据收发

当设置了file[]元素的FPIPE标志位时候，在rdwr()方法中执行writep()和readp()方法

4.1 writep

writep()用于对管道进行写入处理，因为管道的实体为文件，所以采用与对待一般文件相同的方式调用writei()写入数据，当管道被充满（4096字节）时候进入睡眠状态，如果存在等待管道被写入数据的进程，则将其唤醒；但是，和一般文件处理不同，文件偏移量file.f_offset不会发生变化

五、结束管道通信