linux管道通信原理

管道：也是文件，可以用于有血缘关系的进程间的通信。

实现机制：

两个或多个进程之间想要通信由于他们各拥有自己的地址空间所以必须有一块公共的空间，而这块空间就需要内核为他们提供，也就是缓冲区。

管道有两端一端负责输入，一端负责输出，所以两端就分别连接两个进程。进程1负责将数据输入到缓冲区，进程2将缓冲区的数据拿出来，这样就实现了两个进程的通信。



管道被设计成为环形的数据结构，以便管道可以被循环利用。当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会等待，直到另一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。

int pipe(int fd[2]);

功能： 创建一个简单的管道，若成功则为数组fd分配两个文件描述符，其中fd[0] 用于读取管道，fd[1]用于写入管道。

返回：成功返回0，失败返回-1；

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/wait.h>

int main()
{
int _pipe[2];//标识管道的两种状态（0号为读端，1号为写端）
int ret=pipe(_pipe);
if(ret==-1)
{
printf("create pipe failed! error code is%d\n",errno);
return -1;
}
pid_t id=fork();
if(id<0)
{
printf("fork error!");
return 2;
}
else if(id==0)
{
//child
close(_pipe[0]);//关闭读端
int i=0;
char *mes=NULL;
while(i<10)
{
mes="i am child\n";
write(_pipe[1],mes,strlen(mes));
sleep(1);
i++;
}
close(_pipe[1]);//关闭写端
}
else
{
//farther
close(_pipe[1]);
char mes[100];
int j=0;

while(j<10)
{
memset(mes,'\0',sizeof(mes));
int ret=read(_pipe[0],mes,sizeof(mes));

sleep(1);
printf("%s:code is:%d\n",mes,ret);
printf("count:%ld\n",count);
j++;
}
if(waitpid(id,NULL,0)<0)//等待子进程
{
return 3;
}
}
return 0;
}

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。



有两个 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。

关于管道的读写

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。