浅谈Linux管道(pipe)

前言

管道(pipe)是Linux系统中重要的进程间通信(IPC)机制,又分为匿名管道(anonymous pipe)和命名管道(named pipe/FIFO)两种。今天用脑过度,几句话简单谈论一下。

匿名管道

当我们在一般语境下提起管道这个词时,说的就是匿名管道。匿名管道在两个有亲缘关系的进程(即存在父子或兄弟关系的进程)之间创建,本质上是由内核管理的一小块内存缓冲区,默认大小由系统中的PIPE_BUF常量指定(默认为一页,即4096字节)。它的一端连接一个进程的输出,用于写入数据;另一端连接另一个进程的输入,用于读出数据。管道是半双工工作的,也就是可以A进程读B进程写,也可以B进程读A进程写,但是A、B两个进程不能同时读写。

匿名管道在父进程中通过系统调用int pipe(int fd[2])创建。fd[]为两个文件描述符的数组,其中fd[0]固定为管道的读端,fd[1]固定为管道的写端,不能弄反。在父进程fork出子进程之后,使用管道的两方分别关闭fd[0]和fd[1],就可以操作管道了。如下图所示,父进程关闭fd[1],从管道读数据;子进程关闭fd[0],向管道写数据。

管道的读写用最基本的read()/write()系统调用来实现。注意当管道读取端没有关闭且管道已满时,write()会被阻塞;而当管道写入端没有关闭且管道为空时,read()会被阻塞。当然,如果管道的读写两端都被关闭,管道就会消失。

在Linux Shell中,匿名管道可以通过管道符号|创建,例如:cat my.txt | grep lmagic。此时cat是父进程,grep是子进程,cat进程的标准输出通过管道对接grep进程的标准输入。

命名管道

匿名管道只能用于有亲缘关系的进程之间,而命名管道则可以用于任意进程之间。与匿名管道不同的是,命名管道会借用FIFO文件来实现。FIFO文件在文件系统中创建,有自己的路径和名称,但是它仅仅作为一个管道的标记,其数据仍然由内核管理,存放在内存中。FIFO这个名称正好也揭示了管道数据先入先出的本质。

我们可以通过系统调用int mkfifo(const char *filename, mode_t mode)来创建一个FIFO文件,而进程通过open()打开FIFO文件的方式决定了它是读端(O_RDONLY)还是写端(O_WRONLY)。注意不能以读写方式(O_RDWR)打开FIFO文件。特别地,若是设置了非阻塞标志位O_NONBLOCK的话,如果有一个进程试图以读/写方式打开一个没有正在被写/读的FIFO文件,open()就会立即返回成功,反之则会阻塞。而read()/write()的阻塞方式与匿名管道是完全相同的。

最后,如果FIFO文件的读端和写端都关闭,它也不会消失,而是留在文件系统中以便其他进程使用。

管道的底层

匿名管道和命名管道的底层是相同的,就是借助两个file结构指向同一个VFS inode来实现,这个inode又指向一个页面,如下图所示。

注意两个file结构的操作f_op是不同的,这样就可以巧妙地通过普通的文件操作来实现对管道的操作了。

The End

就酱吧,洗洗睡了,民那晚安。

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