Linux下管道的实现机制

最新推荐文章于 2025-06-25 10:31:04 发布

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本文探讨了Linux下管道的实现机制，包括如何通过pipe函数创建管道，管道的读写操作，以及其内部如何借助文件系统和VFS实现。管道具有固定大小的缓冲区，当写满时无法继续写入，读取会清空缓冲区并释放空间。fcntl函数用于设置文件描述符的非阻塞模式。管道自带同步机制，确保读写操作的互斥。

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查看Linux下管道的默认大小可以使用命令ulimit -a
这里写图片描述
尽管命令ulimit -a看到管道大小8块,缓冲区的大小不是4 k,因为内核动态分配最大16“缓冲条目”,乘64 k

验证管道的容量：
管道是一种最基本的 IPC机制,由pipe函数创建: 调用pipe函数时在内核中开辟⼀一块缓冲区(称为管道)用于通信,它有⼀个读端一个写端,然后通过ﬁledes参数传出给用户程序两个⽂文件描述符,ﬁledes[0]指向管道的读端,ﬁledes[1]指向管道的写端(很好记,就像0是标准输⼊入1是标准输出⼀一样)。所以管道在⽤用户程序看起来就像⼀个打开的文件,通过read(ﬁledes[0]);或者write(ﬁledes[1]);向这个⽂文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。pipe函数调⽤用成功返回0,调⽤用失败返回-1。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。

管道是有默认大小的，如果我们一直往这个缓冲区里一直写而不读取数据，那么到达了管道最大的容量就无法继续往里面写数据。通过这种方式来验证管道的容量
fcntl函数根据文件描述符来操作文件的特性

fcntl(pipefd[1], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); // 设置为非阻塞
· F_GETFL：获取fd的文件状态标志
F_SETFL：设置文件描述符的状态标志
O_NONBLOCK，如果read或者write没有可操作的数据则会返回-1或者错误

#include<sys/stat.h>  
#include<unistd.h>  
#include<fcntl.h>  
#include<stdio.h>  
#include<stdlib.h>  
#include<errno.h>  
#include<string.h>  
#include<signal.h>  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    int pipefd[2];  
    if (pipe(pipefd) == -1)  
        perror("pipe error");  

    int ret;  
    int count = 0;  
    int flags = fcntl(pipefd[1], F_GETFL);  
    fcntl(pipefd[1], F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); // 设置为非阻塞  
    while (1)  
    {  
        ret = write(pipefd[1], "A", 1);  
        if (ret == -1)  
        {  
            printf("err=%s\n", strerror(errno));  
            break;  
        }  

        count++;  
    }  
    printf("count=%d\n", count); //管道容量  

    return 0;  
}

这里写图片描述

在Linux下管道并没有专门的数据结构，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。有点类似于页表的映射机制。
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。

管道的读写
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。

在对管道进行写操作的时候必须满足：内存中有足够的空间来容纳要写的数据，此时写数据的时候不允许来读。
因此管道是自带同步与互斥机制的，通过文件描述符往里写数据的时候不允许此时读数据，通过文件描述符往外拿数据的时候不允许此时写数据。这是为了解决数据的二义性问题。