管道

长距离输送装置

管道是用管子、管子联接件和阀门等联接成的用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。通常，流体经鼓风机、压缩机、泵和锅炉等增压后，从管道的高压处流向低压处，也可利用流体自身的压力或重力输送。管道的用途很广泛，主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。

管道简介

管道是指用管子、管子联接件和阀门等联接成的用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。通常，流体经鼓风机、压缩机、泵和锅炉等增压后，从管道的高压处流向低压处，也可利用流体自身的压力或重力输送。管道的用途很广泛，主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。

管道

英文原义：PipingSymbol

中文释义：键盘字符|（典型101键键盘的Enter键上面反斜杠的上档字符）

注解：经常用来将某个命令或程序的输出提供给另一个命令或程序。例如，history|grepmcopy（用history命令）将.bash_history文件的内容发送到grep程序，以搜索字符串“mcopy”。

Linux进程间通信的几种主要手段。其中管道和有名管道是最早的进程间通信机制之一，管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信。认清管道和有名管道的读写规则是在程序中应用它们的关键。

管道分类

1、按材料分类：金属管道和非金属管道。

2、按设计压力分类：真空管道、低压管道、高压管道、超高压管道。

3、按输送温度分类：低温管道、常温管道、中温和高温管道。

4、按输送介质分类：给排水管道、压缩空气管道、氢气管道、氧气管道、乙炔管道、热力管道、燃气管道、燃油管道、剧毒流体管道、有毒流体管道、酸碱管道、锅炉管道、制冷管道、净化纯气管道、纯水管道。

考虑因素

管道-管径的确定当流体的流量已知时，管径的大小取决于允许的流速或允许的摩擦阻力（压力降）。流速大时管径小，但压力降值增大。因此，流速大时可以节省管道基建投资，但泵和压缩机等动力设备的运行能耗费用增大。此外，如果流速过大，还有可能带来一些其他不利的因素。因此管径应根据建设投资、运行费用和其他技术因素综合考虑决定。

管道-管道的联接管子、管子联接件、阀门和设备上的进出接管间的联接方法，由流体的性质、压力和温度以及管子的材质、尺寸和安装场所等因素决定，主要有螺纹联接、法兰联接、承插联接和焊接等4种方法:①螺纹联接：主要适用于小直径管道。联接时，一般要在螺纹联接部分缠上氟塑料密封带或涂上厚漆、绕上麻丝等密封材料，以防止泄漏。在1.6兆帕以上压力时，一般在管子端面加垫片密封。这种联接方法简单，可以拆卸重装，但须在管道的适当地方安装活接头，以便于拆装。②法兰联接：适用的直径范围较大。联接时根据流体的性质、压力和温度选用不同的法兰和密封垫片，利用螺栓夹紧垫片保持密封。在需要经常拆装的管段处和管道与设备相联接的地方大都采用法兰联接。③承插联接：用于铸铁管、混凝土管、陶土管及其联接件之间的联接，只适用于在低压常温条件下工作的给水、排水和煤气管道。联接时，一般在承插口的槽内先填入麻丝、棉线或石棉绳，然后再用石棉水泥或铅等材料填实，还可在承插口内填入橡胶密封环，使其具有较好的柔性，容许管子有少量的移动。④焊接联接：这种联接的强度和密封性最好，适用于各种管道，省工省料，但拆卸时必须切断管子和管子联接件。

管道-管道的敷设城市里的给水、排水、供热、供煤气的管道的干线和长距离的输油输气管道大多敷设在地下，而工厂里的工艺管道为便于操作和维修多敷设在地上。管道的通行、支承、坡度与排液排气、补偿、保温与加热、防腐与清洗、识别与涂漆和安全等，无论对于地上敷设还是地下敷设都是重要的问题。

通行问题

地面上的管道应尽量避免与道路、铁路和航道交叉。在不能避免交叉时，交叉处跨越的高度也应能使行人和车船安全通过。地下的管道一般沿道路敷设，各种管道之间保持适当的距离，以便安装和维修；供热管道的表面有保温层，敷设在地沟或保护管内，应避免被土压坏和使管子能膨胀移动。

支承问题

管道可能承受许多种外力的作用，包括本身的重量（管子、阀门、管子联接件、保温层和管内流体的重量）、流体的压力作用在管端的推力、风雪载荷、土壤压力、热胀冷缩引起的热应力、振动载荷和地震灾害等。为了保证管道的强度和刚度，必须设置各种支（吊）架，如活动支架、固定支架、导向支架和弹簧支架等。支架的设置根据管道的直径、材质、管子壁厚和载荷等条件决定。固定支架用来分段控制管道的热伸长，使膨胀节均匀工作。导向支架使管子仅作轴向移动。

坡度和排液排气

为了排除凝结水，蒸汽和其他含水的气体管道应有一定的坡度，一般不小于千分之二。对于利用重力流动的地下排水管道，坡度不小于千分之五。蒸汽或其他含水的气体管道在最低点设置排水管或疏水阀，某些气体管道还设有气水分离器，以便及时排去水液，防止管内产生水击和阻碍气体流动。给水或其他液体管道在最高点设有排气装置，排除积存在管道内的空气或其他气体，以防止气阻造成运行失常。

补偿问题

管道如不能自由地伸缩，就会产生巨大的附加应力。因此，在温度变化较大的管道和需要有自由位移的常温管道上，需要设置膨胀节，使管道的伸缩得到补偿而消除附加应力的影响。

保温和加热

对于蒸汽管道、高温管道、低温管道以及有防烫、防冻要求的管道，需要用保温材料包覆在管道外面，防止管内热（冷）量的损失或产生冻结。对于某些高凝固点的液体管道，为防止液体太粘或凝固而影响输送，还需要加热和保温。常用的保温材料有水泥珍珠岩、玻璃棉、岩棉和石棉硅藻土等。

防腐和清洗

为防止土壤的侵蚀，地下金属管道表面应涂防锈漆或焦油、沥青等防腐涂料，或用浸渍沥青的玻璃布和麻布等包覆。埋在腐蚀性较强的低电阻土壤中的管道须设置阴极保护装置，防止腐蚀。地面上的钢铁管道为防止大气腐蚀，在表面上涂覆以各种防锈漆。各种管道在使用前都应清洗干净，某些管道还应定期清洗内部。为了清洗方便，在管道上设置有过滤器或吹洗清扫孔。在长距离输送石油和天然气的管道上，须用清扫器定期清除管内积存的污物，为此要设置专用的发送和接收清扫器的装置。

识别涂漆

当管道种类较多时，为了便于操作和维修，在管道表面上涂以规定颜色的油漆，以资识别。例如，蒸汽管道用红色，压缩空气管道用浅蓝色等。

安全问题

为了保证管道安全运行和发生事故时及时制止事故扩大，除在管道上装设检测控制仪表和安全阀外，对某些重要管道还采取特殊安全措施，如在煤气管道和长距离输送石油和天然气的管道上装设事故泄压阀或紧急截断阀。它们在发生灾害性事故时能自动及时地停止输送，以减少灾害损失。

相关介绍

管道关键概念

管道是Linux支持的最初UnixIPC形式之一，具有以下特点：管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道；只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）；单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

1 管道的实现机制

管道就是指用于连接一个读进程和一个写进程,以实现它们之间通信的共享文件,又称pipe文件。Linux中实现了两种管道,一种是无名管道,一种是命名管道。无名管道没有磁盘节点,它仅作为一个内存对象存在,用完后就销毁了。因为没有文件名和路径,也没有磁盘节点,因此无名管道没有显式的打开过程,实际上它是在创建时就自动打开的,并且生成内存inode节点、dentry目录项对象和两个文件结构对象(一个读操作、一个写操作),其内存对象和普通文件的一致,所以读写操作使用的是同样的文件接口,当然读写函数是专用的。因为无名管道不能显式打开,因此只能由父子进程之间、兄弟进程之间或者其他有亲缘关系并且都继承了祖先进程的管道文件对象的两个进程间通信使用。命名管道是有文件名和磁盘i节点的,因此可由任意两个或多个进程间通信使用,它的使用方法和普通文件类似,都遵循打开、读、写、关闭这样的过程,但是读写的内部实现和普通文件不同,而和无名管道一样。

2 无名管道的工作方式

管道以先进先出方式保存一定数量的数据。使用管道的时候一个进程从管道的一端写,另一个进程从管道的另一端读。在主进程中利用fork()函数创建一个子进程,这样父子进程同时拥有对同一管道的读写句柄,因为管道没有提供锁定的保护机制,所以必须决定数据的流动方向,然后在相应进程中关闭不需要的句柄。这样,就可以使用read()和write()函数来对它进行读写操作了。使用无名管道进行进程间通信的步骤概述如下:

①创建所需的管道;

②生成(多个)子进程;

③关闭/复制文件描述符,使之与相应的管道末端相联系;

④关闭不需要的管道末端;

⑤进行通信活动;

⑥关闭所有剩余的打开文件描述符

⑦等待子进程结束。

由于read()函数和write()函数对管道操作自身带有阻塞作用,能够保证一个进程必须先进行写操作,然后另外的进程才能进行读操作,从而实现父子进程的同步。

2.2　无名管道的建立和使用

2.2.1　管道的创建pipe函数

#includeintpipe(intfd[2])

函数的参数中有两个文件描述符:fd[0]用于管道的read端,fd[1]用于管道的write端。创建成功则返回值0,否则返回-1值。

2.2.2　写管道write函数

ret=write(fd[1],buf,n)

若管道已满,则被阻塞,直到管道另一端read将已进人管道的数据取走为止。

2.2.3　读管道read函数ret=read(fd[0],buf,n)

若管道为空,且写端文件描述字未关闭,则被阻塞。若管道写端已关闭,则返回0。若管道不为空,分两种情况:(设管道中实际有m个字节),如n>=m,则读m个;如果n

2.2.4　关闭管道close函数

关闭写端则导致读端read调用返回0;关闭读端,则导致写端write调用返回-1,errno被设为EPIPE,在写端write函数退出前,进程还会收到SIGPIPE信号(默认处理是终止进程,该信号可以被捕捉)。

2.2.5　文件描述符的复制dup2

intdup2(intfdl,intfd2);

复制文件描述符fdl到fd2。fd2可以是空闲的文件描述符,如果fd2是已打开文件,则关闭fd2;如果fd1不是有效的描述符,则不关闭fd2,调用失败。

2.3　关于无名管道需要注意的几个问题

①管道是半双工方式,数据只能单向传输。如果要在两个进程之间相互传送数据,就要建立两条管道。

②pipe()调用必须在调用fork()以前进行,否则子进程将无法继承文件描述符。

③使用无名管道互相连接的任意进程必须位于一个相关的进程家族里。因为管道必须受到内核的限制,所以如果进程没有在管道创建者的家族里面,则该进程将无法访问管道。

3　命名管道

在Linux系统中,可以识别命名管道文件。例如:-lfilenameprw-r--r--lrootroot0sep2719:40filename|filename文件名后跟着一个“|”符号表明该文件是管道文件。

3.1　命名管道的工作方式

无名管道应用的一个重大限制是只能用于具有亲缘关系的进程间通信,在命名管道提出后,该限制得到了克服。命名管道提供一个路径名与之关联,以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样,即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程,只要可以访问该路径,就能够彼此通过FIFO相互通信。因此,通过FIFO,不相关的进程也能交换数据。FIFO管道的打开方式与普通管道有所不同,普通管道包括两个文件数据结构:对应的VFS索引节点以及共享数据页,在进程每次运行时都会创建一次,而FIFO是一直存在的,需要用户打开和关闭。Linux必须处理读进程先于写进程打开管道、读进程在写进程写入数据之前读入这两种情况。除此之外,FIFO管道的使用方式与普通管道完全相同,都使用相同的数据结构和操作。

3.2　FIFO文件的创建

命名管道的创建有两种常见的方法:在shell提示符下使用mknod命令或在程序中使用mknod()系统调用。

3.2.1　shell命令行方式

shell命令行方式如下

=rwfilename

这两个命令行均可创建FIFO文件filename。mkfifo提供了直接改变文件读写权限的功能。mknod创建的文件通过chmod可以改变权限。其中参数p表示所建立的节点,即特殊文件的类型为命名管道。

4　管道的不足

管道提供了从一种进程向另一种进程传输数据的有效方法,但是,管道还是存在一些不足:

①因为读数据的同时也将数据从管道移去,因此管道不能用来对多个接受者广播数据。

②如果一个管道有多个读进程,那么写进程不能发送数据到指定的读进程。同样,如果有多个写进程,那么没有方法来判别是它们中的哪一个发送的数据。

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