리눅스 파이프라인이 뭐야?

Linux에서 파이프는 한 프로그램의 출력을 다른 프로그램의 입력에 직접 연결하는 통신 메커니즘입니다. 본질적으로 파이프도 일종의 파일이지만 일반 파일과 다릅니다. 파이프는 통신을 위해 파일을 사용할 때 발생하는 두 가지 문제를 극복할 수 있습니다. 구체적인 표현은 파이프 크기 제한과 읽기 프로세스가 작동할 수 있다는 것입니다. 보다 빠릅니다. 쓰기 과정이 빠릅니다.

이 튜토리얼의 운영 환경: linux7.3 시스템, Dell G3 컴퓨터.

파이프라인은 Linux에서 매우 중요한 통신 방법으로 한 프로그램의 출력을 다른 프로그램의 입력에 직접 연결합니다. 파이프는 이름이 없는 파이프를 참조하는 경우가 많습니다. 이름이 없는 파이프는 관련된 프로세스 간에만 사용할 수 있습니다. 이것이 이름이 지정된 파이프와 가장 큰 차이점입니다.

유명한 파이프는 Named Pipe 또는 FIFO(선입 선출)라고 하며, mkfifo() 함수를 사용하여 생성할 수 있습니다.

Linux 파이프의 구현 메커니즘

Linux에서 파이프는 매우 자주 사용되는 통신 메커니즘입니다. 본질적으로 파이프도 파일의 일종이지만 일반 파일과 다릅니다. 파이프는 통신을 위해 파일을 사용할 때의 두 가지 문제를 극복할 수 있으며, 구체적으로는 다음과 같습니다.

• 파이프 크기를 제한합니다. 사실상 파이프는 고정된 크기의 버퍼입니다. Linux에서는 이 버퍼의 크기가 1페이지, 즉 4K바이트이므로 파일처럼 확인 없이 크기가 커지는 일이 없습니다. 단일 고정 버퍼를 사용하면 쓰기 중에 파이프가 가득 차는 등의 문제가 발생할 수도 있습니다. 이 경우 파이프에 대한 후속 write() 호출은 기본적으로 일부 데이터를 읽을 때까지 차단되므로 충분한 공간을 확보합니다. write() 호출에 대해 쓰기를 수행합니다.

• 읽는 과정이 쓰기 과정보다 빠르게 진행될 수도 있습니다. 현재 프로세스 데이터를 모두 읽으면 파이프가 비어 있게 됩니다. 이런 일이 발생하면 후속 read() 호출은 기본적으로 차단되어 일부 데이터가 기록될 때까지 기다리며, 이는 파일 끝을 반환하는 read() 호출 문제를 해결합니다.

참고: 파이프에서 데이터를 읽는 것은 일회성 작업입니다. 데이터를 읽고 나면 파이프에서 삭제되어 더 많은 데이터를 쓸 수 있는 공간이 확보됩니다.

1. 파이프라인의 구조

Linux에서 파이프라인의 구현은 특별한 데이터 구조를 사용하지 않고 파일 시스템의 파일 구조와 VFS의 인덱스 노드 inode에 의존합니다. 이는 두 개의 파일 구조가 동일한 임시 VFS 인덱스 노드를 가리키는 방식으로 이루어지며, 이는 차례로 물리적 페이지를 가리킵니다.

2. 파이프 읽기 및 쓰기

파이프라인 구현의 소스 코드는 fs/pipe.c에 있으며, 그 중 두 가지 함수, 즉 파이프 읽기 함수가 더 중요합니다. () 및 파이프 작성 함수 Pipe_wrtie(). 파이프 쓰기 기능은 VFS 인덱스 노드가 가리키는 물리적 메모리에 바이트를 복사하여 데이터를 쓰는 반면, 파이프 읽기 기능은 물리적 메모리의 바이트를 복사하여 데이터를 읽습니다. 물론 커널은 파이프에 대한 액세스를 동기화하기 위해 특정 메커니즘을 사용해야 합니다. 이를 위해 커널은 잠금, 대기 대기열 및 신호를 사용합니다.

쓰기 프로세스는 파이프에 쓸 때 표준 라이브러리 함수 write()를 사용합니다. 시스템은 라이브러리 함수가 전달한 파일 설명자를 기반으로 파일의 파일 구조를 찾을 수 있습니다. 파일 구조는 쓰기 작업을 수행하는 데 사용되는 함수(즉, 쓰기 함수)의 주소를 지정하므로 커널은 이 함수를 호출하여 쓰기 작업을 완료합니다. 쓰기 기능은 메모리에 데이터를 쓰기 전에 먼저 VFS 인덱스 노드의 정보를 확인해야 하며, 실제 메모리 복사 작업은 다음 조건이 충족되어야만 수행될 수 있습니다.

• 메모리에 충분한 공간이 있습니다. 필요한 모든 데이터를 수용하기 위해

• 메모리는 읽기 프로그램에 의해 잠겨 있지 않습니다.

위 조건이 동시에 충족되면 쓰기 기능은 먼저 메모리를 잠근 다음 쓰기 프로세스의 주소 공간에서 메모리로 데이터를 복사합니다. 그렇지 않으면 쓰기 프로세스가 VFS 인덱스 노드의 대기 대기열에서 대기합니다. 다음으로 커널은 스케줄러를 호출하고 스케줄러는 실행할 다른 프로세스를 선택합니다. 쓰기 프로세스는 실제로 인터럽트 가능한 대기 상태에 있습니다. 메모리에 기록된 데이터를 수용할 만큼 충분한 공간이 있거나 메모리가 잠금 해제되면 읽기 프로세스가 쓰기 프로세스를 활성화합니다. 신호. 데이터가 메모리에 기록되면 메모리 잠금이 해제되고 인덱스 노드에서 잠자고 있는 모든 읽기 프로세스가 깨어납니다.

파이프를 읽는 과정은 쓰는 과정과 비슷합니다. 그러나 파일이나 파이프의 오픈 모드에 따라 프로세스는 프로세스를 차단하지 않고 데이터가 없거나 메모리가 잠겨 있는 경우 즉시 오류 메시지를 반환할 수 있습니다. 반대로, 프로세스는 인덱스 노드의 대기 큐에서 대기하고 쓰기 프로세스가 데이터를 쓰기를 기다릴 수 있습니다. 모든 프로세스가 파이프 작업을 완료하면 파이프의 inode가 삭제되고 공유 데이터 페이지가 해제됩니다.

파이프라인 구현에는 많은 파일의 작업이 포함되기 때문에 독자가 파일 시스템에 대한 학습을 ​​마친 다음 Pipe.c의 코드를 읽어보면 이해하는 데 어렵지 않을 것입니다.

Linux 파이프는 더 적은 수의 매개변수가 필요하기 때문에 생성 및 사용이 더 간단합니다. Windows, Linux 및 UNIX에서와 동일한 파이프 생성 목표를 달성하려면 다음 코드 조각을 사용하십시오.

Creating a Linux Named Pipe

int fd1[2];
if(pipe(fd1))
{
 printf("pipe() FAILED: errno=%d",errno);
 return 1;
}

Linux 파이프에는 차단 전 쓰기 작업 크기에 제한이 있습니다. 각 파이프에 특별히 사용되는 커널 수준 버퍼는 정확히 4096바이트입니다. 4K보다 큰 쓰기 작업은 리더가 파이프를 지우지 않는 한 차단됩니다. 실제로 읽기 및 쓰기 작업은 서로 다른 스레드에서 구현되므로 이는 제한 사항이 아닙니다.

Linux는 명명된 파이프도 지원합니다. 이 수치에 대한 초기 논평가는 공정성을 위해 Linux의 명명된 파이프를 Windows의 명명된 파이프와 비교할 것을 제안했습니다. 나는 Linux에서 명명된 파이프를 사용하는 또 다른 프로그램을 작성했습니다. 나는 Linux에서 명명된 파이프와 명명되지 않은 파이프의 결과에 차이가 없다는 것을 발견했습니다.

Linux 파이프는 Windows 2000 명명된 파이프보다 훨씬 빠르며, Windows 2000 명명된 파이프는 Windows XP 명명된 파이프보다 훨씬 빠릅니다.

예:

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>


int main()
{
int n,fd[2];                         // 这里的fd是文件描述符的数组，用于创建管道做准备的
pid_t pid;
char line[100];
if(pipe(fd)<0)                     //   创建管道
   printf("pipe create error/n");

if((pid=fork())<0)              //利用fork()创建新进程
    printf("fork error/n");

else if(pid>0){                   //这里是父进程，先关闭管道的读出端，然后在管道的写端写入“hello world"
    close(fd[0]);
    write(fd[1],"hello word/n",11);
}
else{
    close(fd[1]);                 //这里是子进程，先关闭管道的写入端，然后在管道的读出端读出数据
   n= read(fd[0],line,100);
    write(STDOUT_FILENO,line,n);
}
exit(0);
}

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