无名管道和有名管道区别

2011-06-08 21:45
linux 管道 FIFO——写的很全，转来的
pipe是Linux中最经典的进程间通信手段，在终端里通常用来组合命令，例如“ls -l｜wc -l”。

它的作用很直观，就是使得前一个进程的输出作为后一个进程的输入，在概念上很符合“管道”的意思。

用管道实现“ls -l | wc -l”
《情景分析》上有这个例子的代码，我觉得很适合用来了解管道。

这里假设终端对应的进程为PA，wc、ls是PA先后创建的两个子进程child_B与child_C。

代码简化后抄录如下：
int main(){
int pipefds[2], child_B, child_C;
pipe(pipefds);
if (!(child_B=fork()){ //先创建“读”的一端，它要关闭“写”的的一端close(pipefds[1]);
close(0);
dup2(pipefds[0], 0); //在执行系统调用execve后，child_B会释放0,1,2之外由父进程打开的文件，
close(pipefds[0]); //所以要把pipefds[0]复制到标准输入对应的文件句柄0 execl("/usr/bin/wc", "-l", NULL);
} //这里之后，A和B可以通过管道进行通信
close(pipefds[0]);
if (!(child_C=fork()){ //再创建“写”的一端，它要关闭“读”的的一端close(1);
dup2(pipefds[1],1); //道理同前面
close(pipefds[1]);
execl("/bin/ls", "-1", NULL);
} //这里之后，B和C可以通过管道进行通信
close(pipefds[1]);
wait4(child_B, NULL, 0, NULL);
return 0;
}
FIFO
FIFO就是命名管道，或有名管道。

对于pipe我们不难看出它只能用于一个进程家族之间通信，父子之间，兄弟之间等等。

如果想要让管道在更宽泛的环境中，那是不行的，原因是它没有“名字”或者说是匿名的，另外的进程看不到它，这样就有了命名管道。

它同样是基于VFS，对应的文件类型就是FIFO文件，可以
通过mknod命令在磁盘上创建一个FIFO文件（注意：这就是它与pipe的本质区
别，pipe完全就是存在与内存中，在磁盘上毫无痕迹），当进程想通过该FIFO 来通信时就可以标准的API open打开该文件，然后开始读写操作。

对于FIFO 的读写实现，它与pipe是相同的。

区别在于，FIFO有open这一操作，而pipe 是在调用pipe这个系统调用时直接创建了一对文件描述符用于通信。

并且，FIFO 的open操作还有些细致的地方要考虑，例如如果写者先打开，尚无读者，那么肯定是不能通信了，所以就需要先去睡眠等待读者打开该FIFO，反之对读者亦然。

管道是Linux中很重要的一种通信方式,是把一个程序的输出直接连接到另一个程序的输入,常说的管道多是指无名管道,无名管道只能用于具有亲缘关系的进程之间，这是它与有名管道的最大区别。

有名管道叫named pipe或者FIFO(先进先出)，可以用函数mkfifo()创建。

Linux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。

1. 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。

2.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：
·内存中有足够的空间可容纳所有要写入的数据；
·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，这依赖于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。

因为管道的实现涉及很多文件的操作,因此,当读者学完有关文件系统的内容后来读pipe.c中的代码，你会觉得并不难理解。

Linux 管道的创建和使用都要简单一些，唯一的原因是它需要更少的参数。

实现与 Windows 相同的管道创建目标，Linux 和 UNIX 使用下面的代码片段：
创建 Linux 命名管道
int fd1[2];
if(pipe(fd1))
{ printf("pipe() FAILED: errno=%d",errno);
return 1;
}
Linux 管道对阻塞之前一次写操作的大小有限制。

专门为每个管道所使用的内核级缓冲区确切为 4096 字节。

除非阅读器清空管道，否则一次超过 4K 的写操作将被阻塞。

实际上这算不上什么限制，因为读和写操作是在不同的线程中实现的。

Linux 还支持命名管道。

对这些数字的早期评论员建议我，为公平起见，应该比较 Linux 的命名管道和 Windows 的命名管道。

我写了另一个在 Linux 上使用命名管道的程序。

我发现对于 Linux 上命名的和未命名的管道，结果是没有区别。

Linux 管道比 Windows 2000 命名管道快很多，而 Windows 2000 命名管道比 Windows XP 命名管道快得多。

例子:
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
int n,fd[2]; // 这里的fd是文件描述符的数组，用于创建管道做准备的
pid_t pid;
char line[100];
if(pipe(fd)<0) // 创建管道
printf("pipe create error\n");
if((pid=fork())<0) //利用fork()创建新进程
printf("fork error\n");
else if(pid>0){ //这里是父进程，先关闭管道的读出端，然后在管道的写端写入“hello world"
close(fd[0]);
write(fd[1],"hello word\n",11);
}
else{
close(fd[1]); //这里是子进程，先关闭管道的写入端，然后在管道的读出端读出数据
n= read(fd[0],line,100);
write(STDOUT_FILENO,line,n);
}
exit(0);
}
备注：
管道分为无名管道和有名管道，其中无名管道不属于任何文件系统，只存在于内存中，它是无名无形的，但是可以把它看作一种特殊的文件，通过使用普通文件的read(),write()函数对管道进行操作，
有名管道是有名有形的，为了使用这种管道，LINUX中设立了一个专门的特殊文件系统--管道文件，它存在于文件系统中，任何进程可以在任何时候通过有名管道的路径和文件名来访问管道。

但是在磁盘上的只是一个节点，而文件的数据则只存在于内存缓冲页面中，与普通管道一样。