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Linux管道的实现机制

(2009-10-28 19:51)

7.1.1 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:

<!--[if !supportLists]-->·      <!--[endif]-->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。

<!--[if !supportLists]-->·      <!--[endif]-->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。如图 7.1所示。

 

<!--[if !vml]-->

<!--[endif]--> 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 图7.1  管道结构示意图

图7.1中有两个 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。

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。

 

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