关于Linux的匿名管道你了解多少？

今天小编要跟大家分享的文章是关于关于Linux的匿名管道你了解多少?相信很多在Linux平台工作的童鞋,都很熟悉管道符'|',通过它,我们能够很灵活的将几种不同的命令协同起来完成一件任务.就好像下面的命令:

echo 123 | awk '{print $0+123}' # 输出246

不过这次咱们不来说这些用法,而是来探讨一些更加有意思的,那就是 管道两边的数据流"实时性" 和 管道使用的小提示.

其实我们在利用管道的时候,可能会不经意的去想,我前一个命令的输出,是全部处理完再通过管道传给第二个命令,还是一边处理一边输出呢?可能在大家是试验中或者工作经验中,应该是左边的命令全部处理完再一次性交给右边的命令进行处理,不光是大家,我在最初接触管道时,也曾有这么一个误会,因为我们通过现象看到的就是这样。

但其实只要有简单了解过管道这工具,应该都不难得出解释:

管道是两边是同时进行,也就是说,左边的命令输出到管道,管道的右边将马上进行处理.

一、管道的定义

管道是由内核管理的一个缓冲区，相当于我们放入内存中的一个纸条。管道的一端连接一个进程的输出。这个进程会向管道中放入信息。管道的另一端连接一个进程的输入，这个进程取出被放入管道的信息。一个缓冲区不需要很大，它被设计成为环形的数据结构，以便管道可以被循环利用。当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会堵塞，直到另一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。

二、管道工作流程图

通过上面的解释可以看到,假设COMMAND1 | COMMAND2,那么COMMAND1的标准输出,将会被绑定到管道的写端,而COMMAND2的标准输入将会绑定到管道的读端, 所以当COMMAND1一有输出,将会马上通过管道传给COMMAND2,我们先来做个实验验证下:

# 1.py

import time

import sys

while 1:

print '1111'

time.sleep(3)

print '2222'

time.sleep(3)

[root@iZ23pynfq19Z ~]# python 1 | cat

在上面的命令,我们可以猜测下输出结果:究竟是 睡眠6秒之后,输出"1111222",还是输出"1111"睡眠3秒,再输出"2222",然后再睡眠3秒,再输出"1111"呢?答案就是:都不是! what!这不可能,大家可以尝试下,我们会看到终端没反应了, 为什么呢?这就要涉及到文件IO的缓冲方式了,关于文件IO,可以参考我的另一篇文章: 浅谈文件描述符1和2,在最下面的地方提到文件IO的三种缓冲方式:

· 全缓冲: 直到缓冲区被填满，才调用系统I/O函数, (一般是针对文件)

· 行缓冲:遇到换行符就输出(标准输出)

· 无缓冲: 没有缓冲区，数据会立即读入或者输出到外存文件和设备上(标准错误

因为python是默认采用带缓冲的fputs(参考py27源码: fileobject.c: PyFile_WriteString函数), 又因为标准输出被改写到管道,所以将会采取全缓冲的方式(shell命令具体要看实现,因为有些是用不带缓冲write实现,如果不带缓冲区,会直接写入管道),所以将会采取全缓冲的方式,也就是说,直到缓冲区被填满,或者手动显示调用flush刷入,才能看到输出.那我们可以将代码改写成下面两种方式吧

# 方式1: 填满缓冲区, 我这边大小是4096字节, 你们也可以试下这个值, 估计都一样

import time

import sys

while 1:

print '1111' * 4096

time.sleep(3)

print '2222' * 4096

time.sleep(3)

# 方式2: 手动刷入写队列

import time

import sys

while 1:

print '1111'

sys.stdout.flush() // 因为是标准输出, 所以直接通过sys的接口去flush

time.sleep(3)

print '2222'

sys.stdout.flush()

time.sleep(3)

输出结果:

# 第一种方式:

[root@iZ23pynfq19Z ~]# python 1 | cat

1111.....(超多1, 刷屏了..)

睡眠3秒..

2222.....(超多2, 刷屏了..)

# 第二种方式:

[root@iZ23pynfq19Z ~]# python 1 | cat

1111

睡眠3秒..

2222

睡眠3秒..

1111

....

在这里我们已经能够得出结果,如果像我们以前所想的那样,要等到COMMAND1全部执行完才一次性输出给COMMAND2,那么结果应该是无限堵塞..因为我的程序一直没有执行完..这样应该是不符合老前辈们设计初衷的,因为这样可能会导致管道越来越大..然而管道也是有大小的~具体可以去看posix标准,所以我们得出结论是:只要COMMAND1的输出写入管道的写端(不管是缓冲区满还是手动flush), COMMAND2都将立刻得到数据并且马上处理.

那么 管道两边的数据流"实时性" 讨论到就先暂告一段落,接下来将在这个基础上继续讨论: 管道使用的小提示.

在开始讨论前,我想先引入一个专业术语,也是我们偶尔会遇到的,那就是: SIGPIPE

或者是一个更加具体的描述: broken pipe (管道破裂)

上面的专业术语都是跟管道读写规则息息相关的,那咱们来看下 管道的读写规则吧:

· 当没有数据可读时

§ O_NONBLOCK (未设置)：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。

§ O_NONBLOCK (设置)：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。

· 当管道满的时候

§ O_NONBLOCK (未设置)：write调用阻塞，直到有进程读走数据

§ O_NONBLOCK (设置)：调用返回-1，errno值为EAGAIN

· 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0

· 如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号SIGPIPE

· 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。

· 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。

在上面我们可以看到,如果我们收到SIGPIPE信号,那么一般情况就是读端被关闭,但是写端却依旧尝试写入

咱们来重现下 SIGPIPE

#!/usr/bin/python

import time

import sys

while 1:

time.sleep(10) # 手速不够快的童鞋可以将睡眠时间设置长点

print '1111'

sys.stdout.flush()

这次执行命令需要考验手速了,因为我们要赶在py醒过来之前,将读端进程杀掉

python 1 | cat

------------------------

# 另一个终端

[root@iZ23pynfq19Z ~]# ps -fe | grep -P 'cat|python'

root 10775 4074 0 00:05 pts/2 00:00:00 python 1

root 10776 4074 0 00:05 pts/2 00:00:00 cat # 读端进程

root 10833 32581 0 00:06 pts/0 00:00:00 grep -P cat|python

[root@iZ23pynfq19Z ~]# kill 10776

输出结果

[root@iZ23pynfq19Z ~]# python 1 | cat

Traceback (most recent call last):

File "1", line 6, in <module>

sys.stdout.flush()

IOError: [Errno 32] Broken pipe

Terminated

从上图我们可以验证两个点:

· 当我们杀掉读端时,写端会收到SIGPIPE而默认退出,管道结束

· 当我们杀掉读端时,写端的程序并不会马上收到SIGPIPE,相反的,只有真正写入管道写端时才会触发这个错误

如果写入一个 读端已经关闭的管道,将会收到一个 SIGPIPE,那读一个写端已经关闭的管道又会这样呢?

import time

import sys

# 这次我们不需要死循环, 因为我们想要写端快点关闭退出

time.sleep(5)

print '1111'

sys.stdout.flush()

# 因为我们想要 读端 等到足够长的时间, 让写端关闭, 所以我们需要利用awk先睡眠10秒

[root@iZ23pynfq19Z ~]# python 1.py | awk '{system("sleep 10");print 123}'

------------------------

[root@iZ23pynfq19Z ~]# ps -fe | grep -P 'awk|python'

root 11717 4074 0 00:20 pts/2 00:00:00 python 1.py

root 11718 4074 0 00:20 pts/2 00:00:00 awk {system("sleep 10");print 123}

root 11721 32581 0 00:20 pts/0 00:00:00 grep -P awk|python

# 5秒过后

[root@iZ23pynfq19Z ~]# ps -fe | grep -P 'awk|python'

root 11685 4074 0 00:20 pts/2 00:00:00 awk {system("sleep 10");print 123}

root 11698 32581 0 00:20 pts/0 00:00:00 grep -P awk|python

# 10秒过后

[root@iZ23pynfq19Z ~]# python 1 | awk '{system("sleep 10");print 123}'

123

在上面也已经证明了上文提到的读写规则:如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭,将产生EOF结束标志，read返回0,程序退出。

总结

通过上面的理论和实验,我们知道在使用管道时,两边命令的数据传输过程,以及对管道读写规则有了初步的认识,希望我们以后在工作时,再接触管道时,能够更加有把握的去利用这一强大的工具。

以上就是小编今天为大家分享的关于Linux的匿名管道你了解多少?的文章，希望本篇文章能够对你了解Linux匿名管道有所帮助。想要了解更多Linux相关知识记得关注达内Linux培训官网。最后祝愿小伙伴们工作顺利!

作者：Lin_R

链接：#/LinBigR/blog/857974

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