Linux管道的實現機制
在Linux中，管道是一種使用非常頻繁的通信機制。從本質上說，管道也是一種文件，但它又和一般的文件有所不同，管道可以克服
使用文件進行通信的兩個問題，具體表現為：
· 限制管道的大小。實際上，管道是一個固定大小的緩沖區。在Linux中，該緩沖區的大小為1頁，即4K字節，使得它的大小不象文
件那樣不加檢驗地增長。使用單個固定緩沖區也會帶來問題，比如在寫管道時可能變滿，當這種情況發生時，隨后對管道的write()調
用將默認地被阻塞，等待某些數據被讀取，以便騰出足夠的空間供write()調用寫。
· 讀取進程也可能工作得比寫進程快。當所有當前進程數據已被讀取時，管道變空。當這種情況發生時，一個隨后的read()調用將
默認地被阻塞，等待某些數據被寫入，這解決了read()調用返回文件結束的問題。
注意：從管道讀數據是一次性操作，數據一旦被讀，它就從管道中被拋棄，釋放空間以便寫更多的數據。
1. 管道的結構
在 Linux 中，管道的實現並沒有使用專門的數據結構，而是借助了文件系統的file結構和VFS的索引節點inode。通過將兩個 file 結
構指向同一個臨時的VFS 索引節點，而這個 VFS 索引節點又指向一個物理頁面而實現的。如圖 7.1所示。
圖7.1 管道結構示意圖
圖7.1中有兩個 file 數據結構，但它們定義文件操作例程地址是不同的，其中一個是向管道中寫入數據的例程地址，而另一個是從管
道中讀出數據的例程地址。這樣，用戶程序的系統調用仍然是通常的文件操作，而內核卻利用這種抽象機制實現了管道這一特殊操
作。
2.管道的讀寫
管道實現的源代碼在fs/pipe.c中，在pipe.c中有很多函數，其中有兩個函數比較重要，即管道讀函數pipe_read()和管道寫函數
pipe_wrtie()。管道寫函數通過將字節復制到 VFS 索引節點指向的物理內存而寫入數據，而管道讀函數則通過復制物理內存中的字節
而讀出數據。當然，內核必須利用一定的機制同步對管道的訪問，為此，內核使用了鎖、等待隊列和信號。
當寫進程向管道中寫入時，它利用標准的庫函數write()，系統根據庫函數傳遞的文件描述符，可找到該文件的 file 結構。file 結構
中指定了用來進行寫操作的函數（即寫入函數）地址，於是，內核調用該函數完成寫操作。寫入函數在向內存中寫入數據之前，必
須首先檢查 VFS 索引節點中的信息，同時滿足如下條件時，才能進行實際的內存復制工作：
內存中有足夠的空間可容納所有要寫入的數據；
內存沒有被讀程序鎖定。
如果同時滿足上述條件，寫入函數首先鎖定內存，然后從寫進程的地址空間中復制數據到內存。否則，寫入進程就休眠在 VFS 索引
節點的等待隊列中，接下來，內核將調用調度程序，而調度程序會選擇其他進程運行。寫入進程實際處於可中斷的等待狀態，當內
存中有足夠的空間可以容納寫入數據，或內存被解鎖時，讀取進程會喚醒寫入進程，這時，寫入進程將接收到信號。當數據寫入內
存之后，內存被解鎖，而所有休眠在索引節點的讀取進程會被喚醒。
管道的讀取過程和寫入過程類似。但是，進程可以在沒有數據或內存被鎖定時立即返回錯誤信息，而不是阻塞該進程，這依賴
文件或管道的打開模式。反之，進程可以休眠在索引節點的等待隊列中等待寫入進程寫入數據。當所有的進程完成了管道操作之
后，管道的索引節點被丟棄，而共享數據頁也被釋放。
因為管道的實現涉及很多文件的操作,因此,當讀者學完有關文件系統的內容后來讀pipe.c中的代碼，你會覺得並不難理解。