進(jìn)程間通信

普通的Linux shell都允許重定向，而重定向使用的就是管道。例如：

$ ls | pr | lpr

把命令ls（列出目錄中的文件）的輸出通過管道連接到命令pr的標(biāo)準(zhǔn)輸入上進(jìn)行分頁。最后，命令pr的標(biāo)準(zhǔn)輸出通過管道連接到命令lpr的標(biāo)準(zhǔn)輸入上，從而在缺省打印機(jī)上打印出結(jié)果。進(jìn)程感覺不到這種重定向，它們和平常一樣地工作。正是shell建立了進(jìn)程之間的臨時(shí)管道。

管道是單向的、先進(jìn)先出的、無結(jié)構(gòu)的、固定大小的字節(jié)流，它把一個(gè)進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸出和另一個(gè)進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入連接在一起。寫進(jìn)程在管道的尾端寫入數(shù)據(jù)，讀進(jìn)程在管道的首端讀出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀出后將從管道中移走，其它讀進(jìn)程都不能再讀到這些數(shù)據(jù)。管道提供了簡單的流控制機(jī)制。進(jìn)程試圖讀空管道時(shí)，在有數(shù)據(jù)寫入管道前，進(jìn)程將一直阻塞。同樣，管道已經(jīng)滿時(shí)，進(jìn)程再試圖寫管道，在其它進(jìn)程從管道中移走數(shù)據(jù)之前，寫進(jìn)程將一直阻塞。

傳統(tǒng)上有很多種實(shí)現(xiàn)管道的方法，如利用文件系統(tǒng)、利用套接字（sockets）、利用流等。在Linux中，使用兩個(gè)file數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)管道。這兩個(gè)file數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的f_inode（f_dentry）指針指向同一個(gè)臨時(shí)創(chuàng)建的VFS I節(jié)點(diǎn)，而該VFS I節(jié)點(diǎn)本身又指向內(nèi)存中的一個(gè)物理頁，如圖5.1所示。兩個(gè)file數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的f_op指針指向不同的文件操作例程向量表：一個(gè)用于向管道中寫，另一個(gè)用于從管道中讀。這種實(shí)現(xiàn)方法掩蓋了底層實(shí)現(xiàn)的差異，從進(jìn)程的角度來看，讀寫管道的系統(tǒng)調(diào)用和讀寫普通文件的普通系統(tǒng)調(diào)用沒什么不同。當(dāng)寫進(jìn)程向管道中寫時(shí)，字節(jié)被拷貝到了共享數(shù)據(jù)頁，當(dāng)讀進(jìn)程從管道中讀時(shí)，字節(jié)被從共享頁中拷貝出來。Linux必須同步對(duì)于管道的存取，必須保證管道的寫和讀步調(diào)一致。Linux使用鎖、等待隊(duì)列和信號(hào)（locks，wait queues and signals）來實(shí)現(xiàn)同步。

右圖 --管道示意圖所示

參見include/linux/inode_fs.h

當(dāng)寫進(jìn)程向管道寫的時(shí)候，它使用標(biāo)準(zhǔn)的write庫函數(shù)。這些庫函數(shù)（read、write等）要求傳遞一個(gè)文件描述符作為參數(shù)。文件描述符是該文件對(duì)應(yīng)的file數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在進(jìn)程的file數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)組中的索引，每一個(gè)都表示一個(gè)打開的文件，在這種情況下，是打開的管道。Linux系統(tǒng)調(diào)用使用描述這個(gè)管道的file數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中f_op所指的write例程，該write例程使用表示管道的VFS I 節(jié)點(diǎn)中存放的信息，來管理寫請(qǐng)求。如果共享數(shù)據(jù)頁中有足夠的空間能把所有的字節(jié)都寫到管道中，而且管道沒有被讀進(jìn)程鎖定，則Linux就在管道上為寫進(jìn)程加鎖，并把字節(jié)從進(jìn)程的地址空間拷貝到共享數(shù)據(jù)頁。如果管道被讀進(jìn)程鎖定或者共享數(shù)據(jù)頁中沒有足夠的空間，則當(dāng)前進(jìn)程被迫睡眠，它被掛在管道I節(jié)點(diǎn)的等待隊(duì)列中等待，而后調(diào)用調(diào)度程序，讓另外一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行。睡眠的寫進(jìn)程是可以中斷的（interruptible），所以它可以接收信號(hào)。當(dāng)管道中有了足夠的空間可以寫數(shù)據(jù)，或者當(dāng)鎖定解除時(shí)，寫進(jìn)程就會(huì)被讀進(jìn)程喚醒。當(dāng)數(shù)據(jù)寫完之后，管道的VFS I 節(jié)點(diǎn)上的鎖定解除，在管道I節(jié)點(diǎn)的等待隊(duì)列中等待的所有讀進(jìn)程都會(huì)被喚醒。

參見fs/pipe.c pipe_write()

從管道中讀取數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)非常相似。Linux允許進(jìn)程無阻塞地讀文件或管道（依賴于它們打開文件或者管道的模式），這時(shí)，如果沒有數(shù)據(jù)可讀或者管道被鎖定，系統(tǒng)調(diào)用會(huì)返回一個(gè)錯(cuò)誤。這意味著進(jìn)程會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。另一種方式是阻塞讀，即進(jìn)程在管道I節(jié)點(diǎn)的等待隊(duì)列中等待，直到寫進(jìn)程完成。

如果所有的進(jìn)程都完成了它們的管道操作，則管道的I節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的共享數(shù)據(jù)頁會(huì)被廢棄。

參見fs/pipe.c pipe_read()

Linux也支持命名管道（也叫FIFO，因?yàn)楣艿拦ぷ髟谙热胂瘸龅脑瓌t下，第一個(gè)寫入管道的數(shù)據(jù)也是第一個(gè)被讀出的數(shù)據(jù)）。與管道不同，F(xiàn)IFO不是臨時(shí)的對(duì)象，它們是文件系統(tǒng)中真正的實(shí)體，可以用mkfifo命令創(chuàng)建。只要有合適的訪問權(quán)限，進(jìn)程就可以使用FIFO。FIFO的打開方式和管道稍微不同。一個(gè)管道（它的兩個(gè)file數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、VFS I節(jié)點(diǎn)和共享數(shù)據(jù)頁）是一次性創(chuàng)建的，而FIFO已經(jīng)存在，可以由它的用戶打開和關(guān)閉。Linux必須處理在寫進(jìn)程打開FIFO之前讀進(jìn)程對(duì)它的打開，也必須處理在寫進(jìn)程寫數(shù)據(jù)之前讀進(jìn)程對(duì)管道的讀。除此以外，F(xiàn)IFO幾乎和管道的處理完全一樣，而且它們使用一樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作。

從IPC的角度看，管道提供了從一個(gè)進(jìn)程向另一個(gè)進(jìn)程傳輸數(shù)據(jù)的有效方法。但是，管道有一些固有的局限性：

l 因?yàn)樽x數(shù)據(jù)的同時(shí)也將數(shù)據(jù)從管道移去，因此，管道不能用來對(duì)多個(gè)接收者廣播數(shù)據(jù)。

l 管道中的數(shù)據(jù)被當(dāng)作字節(jié)流，因此無法識(shí)別信息的邊界。

l 如果一個(gè)管道有多個(gè)讀進(jìn)程，那么寫進(jìn)程不能發(fā)送數(shù)據(jù)到指定的讀進(jìn)程。同樣，如果有多個(gè)寫進(jìn)程，那么沒有辦法判斷是它們中那一個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

?COM是微軟自1993年便提出的組件式軟件平臺(tái)，用來做進(jìn)程間通信(Inter-process communication, IPC)以及當(dāng)作組件式軟件開發(fā)的平臺(tái)。COM提供跟編程語言無關(guān)的方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟件對(duì)象，因此可以在其他環(huán)境中運(yùn)行。COM要求軟件組件必須遵照一個(gè)共同的接口，該接口與實(shí)現(xiàn)無關(guān)，因此可以隱藏實(shí)現(xiàn)屬性，并且被其他對(duì)象在不知道其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的情形下正確的使用。

COM并被實(shí)現(xiàn)于多個(gè)平臺(tái)之上，并不限于Windows操作系統(tǒng)之上。但還是只有Windows最常使用COM，且某些功能已被目前的.NET平臺(tái)取代。