东北大学秦皇岛分校计工学院。
linux的内核分析。
课程设计题目：linux的管道实现机制的分析。
设计任务：管道是linux的一种重要的进程间通信机制，通过对linux的内核分析，说明linux用于实现管道的主要数据结构，以及管道的创建、撤销、读写操作的过程和实现方法。
一、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：
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。
2、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。
二、管道的主要数据结构。
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。如图所示。
图中有两个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。
数据结构**：
/inode结点信息结构。
structinode ;
char * arg2
//父进程。
pipe(pipefds); 开始创建管道的2段。
if(!(child_b = fork())
close(pipefds[0]);close read*/
if(!(child_c = fork())
close(pipefds[1]);
wait4(child_b, null, 0, null);
return 0;
四、管道的撤销。
一旦进程结束，与管道有关的资源将被自动释放。尽管如此，为了养成一种良好的编程习惯，最好利用close调用来关闭管道的描述符，如下所示：
ret=pipe(mypipe);
close(mypipe[0]);
close(mypipe[1]);
如果管道的写入端关闭，但是还有进程尝试从管道读取的话，将被返回0，用来指出管道已不可用，并且应当关闭它。如果管道的读出端关闭，但是还有进程尝试向管道写入的话，试图写入的进程将收到一个sigpipe信号，至于信号的具体处理则要视其信号处理程序而定了。
五、管道的读写操作。
管道的读操作。
管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字fd[1]来表示，称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。
一般文件的i/o函数都可以用于管道，如close、read、write等等。
从管道中读取数据：如果管道的写端不存在，则认为已经读到了数据的末尾，读函数返回的读出字节数为0；当管道的写端存在时，如果请求的字节数目大于pipe_buf，则返回管道中现有的数据字节数，如果请求的字节数目不大于pipe_buf，则返回管道中现有数据字节数（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）。管道写端关闭后，写入的数据将一直存在，直到读出为止。
管道的写操作。
向管道中写入数据：向管道中写入数据时，linux将不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。
只有在管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，向管道中写入数据的进程将收到内核传来的sifpipe信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略（默认动作则是应用程序终止）。对管道的写规则的验证1：
写端对读端存在的依赖性。
在向管道写入数据时，至少应该存在某一个进程，其中管道读端没有被关闭，否则就会出现错误（管道断裂，进程收到了sigpipe信号，默认动作是进程终止）对管道的写规则的验证。
六、课程设计体会与感受。
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