第1.3节 管道

xv6

第1.3节 管道

这一节中涉及的系统调用有：

• pipe
• fork
• close
• dup
• read

一个管道就是一个小型的内核缓冲区，将一对文件描述符暴露给进程：一个用于读，另一个用于写。向管道一端写入的数据可用于另一端读取。
管道提供了一种进程通信的方式。

wc程序的标准输入连接到管道的读取端

int p[2];
char *argv[2];
argv[0] = "wc";
argv[1] = 0;
pipe(p); 
if(fork() == 0) {
      close(0);
      dup(p[0]);
      close(p[0]);
      close(p[1]);
      exec("/bin/wc", argv);
} else {
      close(p[0]);
      write(p[1], "hello world\n", 12);
      close(p[1]);
}

解释：

• 这个程序调用了系统调用pipe，创建了一个新的管道，使用数组p来记录读文件描述符和写文件描述符。
• 在执行完fork后，父进程和子进程都持有了指向管道的文件描述符。
• 子进程调用了close和dup使得文件描述符0指向了管道的读取端，关闭关闭在数组p中的文件描述符，调用exec来运行程序wc。
• 当程序wc从标准输入读取数据时，实际上是从管道中读取数据。
• 父进程关闭管道的读取端，向管道中写入数据，然后关闭管道的写入端。

如果没有数据可用，则对管道发起的read调用要么等着写入数据，要么等着所有引用该写入端的文件描述符关闭。

如果是等着所有引用管道写入端的文件描述符关闭，则read调用就返回0，好像到达文件的末尾一样。

在执行程序wc之前，子进程必须要关闭管道的写入端，理由是read会一直阻塞直到不可能有新数据到达为止。

如果程序wc的文件描述符有一个引用指向管道的写入端，则程序wc会永远看不到输入。

xv6实现诸如grep fork sh.c | wc -l这样的流水线的方式跟前面的代码类似，比如：

case PIPE:
    pcmd = (struct pipecmd*)cmd;
    if(pipe(p) < 0)
      panic("pipe");
    if(fork1() == 0){
      close(1);
      dup(p[1]);
      close(p[0]);
      close(p[1]);
      runcmd(pcmd->left);
    }
    if(fork1() == 0){
      close(0);
      dup(p[0]);
      close(p[0]);
      close(p[1]);
      runcmd(pcmd->right);
    }
    close(p[0]);
    close(p[1]);
    wait(0);
    wait(0);
    break;

子进程创建了一个管道连接到一个流水线的右端。

然后，子进程为流水线的左端调用了fork和runcmd，为流水线的右端调用了fork和runcmd，并等待两者的完成。

流水线的右端可能是一个命令，该命令自身就包含了一个管道，比如a|b|c，该管道自身派生了两个新进程，一个用于b，另一个用于c。

因此，shell可能创建一个进程树。树的叶子是命令，内部节点是等待着左右孩子完成的进程。

从理论上讲，可以让内部节点在流水线的左端运行，但是这样会使得流水线的实现变得复杂。

比如，
假设仅做如下修改：修改sh.c不派生子进程用于p>left，而是在内部进程中运行runcmd(p->left)。然后，比如echo hi | wc将不会产生输出，因为echo hi是以runcmd的方式退出的，内部进程退出了，永远不会调用fork派生子进程来运行管道的右端。
这种错误的行为可通过为了内部进程不以rumcmd的方式调用exit来修正，但是这种修复会使代码变得复杂，因为此时runcmd需要判断其是否是一个内部进程。

当没有派生子进程来runcmd(p->right)时，也会增加复杂性。比如，仅做刚才的修改，sleep 10 | echo hi将会立即输出hi，而不是10秒钟以后输出，因为echo立即运行并退出，并没有等待sleep完成。

由于sh.c的目标是尽可能地简单，所以它不会避免创建内部进程。

注：

管道看起来似乎并没有临时文件功能强大，比如流水线

echo hello world | wc

可被实现成没有管道的形式：

echo hello world >/tmp/xyz; wc </tmp/xyz

管道跟临时文件相比，至少有4点优势：

1. 管道会自动的清理数据。使用了文件重定向，shell要仔细地移除/tmp/xyz；
2. 管道可传递任意长度的数据流，而文件重定向要求磁盘上有足够的空闲空间来存储所有的数据；
3. 管道允许并行流水线的状态并行执行，但是文件重定向要求：在第二个程序完成前，第一个程序必须完成；
4. 如果正在实现进程间通信，则管道的阻塞读和阻塞写回被文件的非阻塞语义更有效。