进程间通信之管道

进程间通信：

每个进程各自有不同的用户地址空间,任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核(操作系统),在内核中开辟一块缓冲区,进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区,进程2再从内核缓冲区把数据读走,内核提供的这种机制称为进程间通信。

本质：让不同的进程可以访问同一块系统资源。

实现方式：

一、最基本的进程间通信机制--管道（由pipe函数创建）

 

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：

 

(1)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，使得它的大小不像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，随后再对管道的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。

(2)读取进程时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。如下图所示：

上图中两个 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。

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。

因此管道的实现涉及很多文件的操作。

获取Linux 内存页（基页）大小的命令：getconf  PAGE_SIZE ，一般的输出是4096，即 4KB。

    管道创建后如何实现两个进程间的通信（比如如下实现步骤）

 实现步骤：

 1、父进程调用pipe开辟管道,得到两个文件描述符指向管道的两端。如下图：

 2、父进程调用fork创建子进程,那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。如下图：

 3、父进程关闭管道读端,子进程关闭管道写端。父进程可以往管道里写,子进程可以从管道里读,管道是用环形队列实现的,数据从写端流入从读端流出,这样就实现了进程间通信。如下图：

演示代码：

   管道的特点：

    1、管道只允许具有血缘关系的进程间通信，如父子进程间的通信。

    2、管道只允许单向通信。

    3、依赖文件系统

    4、面向字节流

    5、管道随进程，进程在管道在，进程消失管道对应的端口也关闭，两个进程都消失管道也消失。

管道的容量

测试代码如下图：

    运行结果如下：

    由运行结果可得，管道容量约为64KB。

注意管道以下的四种特殊情况：

    1、写端关闭，读端继续，当把管道中剩余的数据读完，再次read将返回0，就像读到文件末尾一样。

2、写端不关，且写端不写，读端继续，当管道中剩余的数据都被读取后，再次read将被阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。

3、读端关闭，进程向管道的写端write，那么进程会收到信号SIGPIPE，导致进程异常终止。

4、读端不关且读端不读，写端继续，管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。