1. パイプとは#
パイプは プロセス間通信 (IPC) のためのメカニズムであり、あるプロセスの出力を次のプロセスの入力として直接使用することを可能にします。これは カーネルバッファ を介して実現される通信方法です。
その特徴：
- 一方向通信：標準パイプでは、データは一方向にのみ流れる（双方向通信は名前付きパイプを使用して実現可能）
- 半二重：データは二つの方向に流れることができるが、同時には行えない
- 一時性：パイプは通常、短期間のプロセス間通信に使用される
- カーネルバッファ：データはカーネルバッファを介して渡され、共有メモリの方式ではない
2. リダイレクト IO を使用してパイプを実現する#
ps -aux | grep top のような機能を実現するために、 Golang では以下の方法を使用できます。
簡単に言えば、バッファを作成し、プロセスの stdin/stdout をこのバッファにリダイレクトすることで、共有メモリの通信方法を実現します。
Tip
ここでは、バッファに Golang の bytes パッケージの bytes.Buffer オブジェクトを使用します。これは、バイトスライスを効率的に構築および操作するためのバッファを提供し、動的に成長することができ、頻繁に結合および変更されるバイトデータの構築と処理に適しています。
package main
import (
"bytes"
"fmt"
"os/exec"
)
func main() {
cmd1 := exec.Command("ps", "aux")
cmd2 := exec.Command("grep", "xxx")
var outputBuf1 bytes.Buffer
cmd1.Stdout = &outputBuf1
if err := cmd1.Start(); err != nil {
fmt.Printf("エラー: 最初のコマンドを起動できません %s\n", err)
return
}
if err := cmd1.Wait(); err != nil {
fmt.Printf("エラー: 最初のコマンドを待機できませんでした: %s\n", err)
return
}
cmd2.Stdin = &outputBuf1
var outputBuf2 bytes.Buffer
cmd2.Stdout = &outputBuf2
if err := cmd2.Start(); err != nil {
fmt.Printf("エラー: 二番目のコマンドを起動できません %s\n", err)
return
}
if err := cmd2.Wait(); err != nil {
fmt.Printf("エラー: 二番目のコマンドを待機できませんでした: %s\n", err)
return
}
fmt.Printf("%s\n", outputBuf2.String())
}
3. Golang におけるパイプの使い方#
Golang では、os.Pipe() と io.Pipe() の 2 つのパイプの使用方法が提供されています。これは異なる実装方法であり、前者はオペレーティングシステムのパイプメカニズムに依存し、後者は Golang で実装されています。どちらも匿名パイプです。
| 特徴 | os.Pipe() | io.Pipe() |
|---|---|---|
| 実装レベル | オペレーティングシステムレベルのパイプで、低レベルのシステムコールを使用して作成される。 | 純粋な Go 実装のメモリパイプで、オペレーティングシステムの呼び出しは関与しない。 |
| 使用シーン | 外部プロセスとの通信や異なるオペレーティングシステムスレッド間の通信に適している。 | 主に同一 Go プログラム内の異なる Goroutine 間のデータ伝達に使用される。 |
| 性能 | 大量データの転送に対して効率が高く、オペレーティングシステムのバッファを利用する。 | 小データ量の転送は速いが、大量データの転送には適していない。 |
| クロスプラットフォーム互換性 | 動作はオペレーティングシステムによって異なる場合がある。 | 純粋な Go 実装のため、クロスプラットフォームでの動作が一貫している。 |
| ファイルディスクリプタ | *os.File 型を返し、低レベルのファイルディスクリプタを含む。 | io.Reader と io.Writer インターフェースを返し、ファイルディスクリプタは関与しない。 |
| クローズ動作 | 読み取り端と書き込み端のファイルディスクリプタを手動で閉じる必要がある。 | 一方が閉じると、もう一方は自動的に EOF を返す。 |
| 多重化 | オペレーティングシステムレベルの多重化（select、poll、または epoll など）をサポートし、複数の I/O ソースを処理するのに適している。 | オペレーティングシステムの多重化を直接サポートしないが、channel と select を使用して類似の効果を実現できる。 |
| 原子操作 | オペレーティングシステムは、PIPE_BUF（通常 4096 バイト以下）の書き込み操作が原子的であることを保証する。これを超える書き込み操作は分割される可能性がある。 | すべての書き込み操作の原子性は Go ランタイムによって保証され、ミューテックスを利用して並行安全が確保される。 |
- os.Pipe() は、プロセス間通信や標準入出力のリダイレクトなど、システムレベルのタスクに適している。
- io.Pipe() は、Go 内部の並行プログラミングに適しており、Goroutine 間のデータフロー伝達に使用され、Go の並行特性（
channel、selectなど）とシームレスに統合できる。
3.1 os.Pipe()#
package main
import (
"bytes"
"fmt"
"os"
"sync"
)
func main() {
reader, writer, err := os.Pipe()
var wg sync.WaitGroup
if err != nil {
fmt.Printf("パイプの作成エラー: %v\n", err)
return
}
wg.Add(1)
// パイプは読み取りまたは書き込みのいずれかでブロックが発生する
go func() {
defer wg.Done()
output := make([]byte, 64)
n, err := reader.Read(output)
if err != nil {
fmt.Printf("パイプからの読み取りエラー: %v\n", err)
return
}
fmt.Printf("読み取ったバイト数: %d\n", n)
}()
var inputs bytes.Buffer
for i := 65; i <= 90; i++ {
inputs.WriteByte(byte(i))
}
n, err := writer.Write(inputs.Bytes())
if err != nil {
fmt.Printf("パイプへの書き込みエラー: %v\n", err)
return
}
fmt.Printf("書き込んだバイト数: %d\n", n)
wg.Wait()
}
3.2 io.Pipe()#
io.Pipe() は純粋なメモリパイプで、Go 言語によってメモリ内で実装されています。その性能制限は主に以下のいくつかの側面から来ています：
-
メモリバッファ：
io.Pipe()は低レベルのオペレーティングシステムのサポートがなく、Go のバッファと同期メカニズムを使用してメモリ内で実装されています。直接的なカーネルサポートがないため、ミューテックス（Mutex）と条件変数（Cond）を使用して読み書きの同期とブロッキングを実現する必要があり、頻繁な大量データ転送時に性能のボトルネックとなることがあります。 -
Goroutine のスケジューリングオーバーヘッド：
io.Pipe()の設計目標は、Goroutine 間でデータを伝達することです。そのため、データの伝達とブロッキングのウェイクアップは Go ランタイムの Goroutine スケジューリングで行われます。頻繁なデータ伝達や大量の Goroutine のシーンでは、このスケジューリングオーバーヘッドが性能を低下させることがあります。 -
システムレベルのバッファの欠如：オペレーティングシステムのカーネルレベルでは、ファイルディスクリプタにバッファが割り当てられることが一般的ですが（例えば
os.Pipe()）、io.Pipe()はこのサポートがありません。大量のデータを転送する際、カーネルバッファがないため、データはメモリ内で繰り返し読み書きされ、メモリの割り当てとガベージコレクションの負担が増加します。
io.Pipe() の使用方法は os.Pipe() と基本的に同じで、例は以下の通りです：
package main
import (
"bytes"
"fmt"
"io"
"sync"
)
func main() {
reader, writer := io.Pipe()
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(1)
go func() {
defer wg.Done()
output := make([]byte, 256)
n, err := reader.Read(output)
if err != nil {
fmt.Printf("リーダーからの読み取りエラー: %v\n", err)
return
}
fmt.Printf("読み取ったバイト数: %d\n", n)
}()
var inputs bytes.Buffer
for i := 65; i <= 90; i++ {
inputs.WriteByte(byte(i))
}
n, err := writer.Write(inputs.Bytes())
if err != nil {
fmt.Printf("ライターへの書き込みエラー: %v\n", err)
return
}
fmt.Printf("書き込んだバイト数: %d\n", n)
wg.Wait()
}