خط لوله (نرم‌افزار)

خط لوله چند پردازنده‌ای

خط لوله اغلب در یک سیستم عامل چند وظیفه‌ای، توسط همه عناصری که زمان یکسانی برای پردازش می‌خواهند اجرا و راه‌اندازی شده و به‌طور خودکار به درخواست داده‌های خوانده شده توسط هر فرایند و داده‌های نوشته شده توسط فرایند بالادست سرویس دهی می‌شود. در این روش پردازنده اصلی به‌طور طبیعی میان فرایندها توسط زمانبند تعویض می‌شود تا بتوان زمان بیکاری را به حداقل رساند. در مدل‌های رایج دیگر، عناصر به صورت ریسمان‌های بسیار کم وزن یا به عنوان coroutinesها به منظور کاهش سربار سیستم عامل اغلب با فرایندها درگیر می‌شوند. بسته به سیستم عامل، ریسمان‌ها ممکن است به‌طور مستقیم توسط سیستم عامل یا توسط مدیریت ریسمان زمانبندی شوند. Coroutinesها همواره توسط مدیر نوعی از اشکال coroutine زمانبندی می‌شوند. معمولاً، درخواست‌های خواندن و نوشتن عملیات را مسدود می‌کنند. به این معنی که توقیف منبع در دست فرایند معلق است تا زمانی که همه اطلاعات بتوانند در فرایند مقصد نوشته شوند و همچینین اجرای فرایند مقصد پس از خواندن به تعلیق افتاده تا حداقل برخی از داده‌های درخواست شده بتواند منبع فرایند را به دست‌آورد. بدیهی است، این مسئله نمی‌تواند باعث ایجاد بن‌بست شود که در آن هر دو فرایندا به‌طور نامحدود در انتظار پاسخ یکدیگر بمانند از این رو حداقل یکی از دو فرایند بزودی درخواست سرویس خود را توسط سیستم عامل اعلام می‌کند و اجرا را ادامه می‌دهد. برای اجرا، بیشتر سیستم عامل‌ها برای اجرای لوله از لوله‌های بافر استفاده می‌کنند که اجازه می‌دهد منابع فرایند اطلاعات بیشتری را فراهم کند تا فرایند مقصد به‌طور متداول بتواند داده را دریافت کند یا اینکه مایل به دریافت باشد. تحت بیشتر Unices یا سیستم عامل‌های شبه لینوکس دستورها ویژه‌ای در دسترس است که لوله یک بافر را اجرا می‌کنند که پیاده‌سازی یک بافر لوله به‌طور بالقوه بسیار بزرگتر و با قابلیت تنظیم اندازه است که به‌طور معمول " بافر " نامیده می‌شود. این دستور می‌تواند مفید باشد اگر فرایند مقصد به‌طور قابل توجهی کندتر از منبع فرایند باشد، اما به هر حال مد نظر است که این منبع فرایند بتواند تاحد امکان وظیفه خود را در اسرع وقت تکمیل کند. به عنوان مثال، اگر منبع فرایند شامل یک فرمان باشد که آهنگ صوتی را از روی یک سی دی را بخواند، فرایند مقصد شامل یک فرمان داده است که شکل موج‌های صوتی را به فرمت MP3 فشرده‌سازی می‌کند. در این نمونه عمل میانگیری یا بافرینگ در تمام سرعت‌ها در بافر لوله به سی دی درایو اجازه می‌دهد که سریعتر بچرخد و کاربر بتواند سی دی را از درایو پاک کند قبل از آنکه رمزگذاری فرایند به پایان رسد. چنین فرمان بافر را می‌تواند با استفاده از پیاده‌سازی اولیه سیستم عامل که موجود است برای خواندن و نوشتن اطلاعات به کار رود. انتظار بیهوده می‌تواند به وسیلهٔ استفاده از امکاناتی مانند نظرسنجی یا انتخاب یا چند ریسمانه موقوف شود.

خط لوله‌های شی ء گرا

در کنار خط لوله‌های بر پایهٔ جریان بایت، خط لوله‌های شی ء گرا وجود دارند. در یک خط لولهٔ شی ء گرا، فرایندهای مورد نظر خروجی، به جای متون وجود دارند. بنابراین جابه جایی و حذف دستورها تجزیهٔ رشته‌ای در پوسته اسکریپت‌های unix، رایج هستند. ویندوز powershell از این طرح‌ها استفاده کرده و شیء‌های .net را انتقال می‌دهد. کانال‌ها در زبان برنامه‌نویسی Limbo پیدا می‌شوند و توسعه و گسترش IPython مثال‌های دیگری از این کار می‌باشند.

خط لوله‌ها در GUIها

محیط‌های گرافیکی همچون سیستم عامل RISC و صفحه ROX هم از خط لوله استفاده می‌کنند. بیشتر از اینکه یک جعبه مکالمهٔ امن را که در برگیرندهٔ مدیریت فایل‌ها می‌باشد_ که به کاربر اجازهٔ مشخص کردن مکان نوشتن داده‌ها و اطلاعات برنامه را می‌دهد_ را فراهم آورد یک جعبه مکالمه امن که یک آیکن را به همراه رشته‌ای برای نام آن، فراهم می‌کند. مقصد آن از طریق یک آیکن کششی مشخص می‌شود. کاربر می‌تواند آیکن را در هر جایی که فایل حاضر موجود است و دارای آیکن‌های دیگر برنامه هاست، رها کند. گر آیکن روی آیکن برنامه انداخته شود، برنامه بارگیری شده و محتوای آن که قبلاً ذخیره شده بود، به رشته ورودی استاندارد برنامه جدید وارد می‌شود.
برای مثال، یک کاربر که در حال جستجوی تارنمای جهانی می‌باشد، ممکن است با شکل فشردهٔ .gz روبرو شود و قصد ویراستاری یا دوباره بارگذاری آن را داشته باشد، او می‌تواند لینک مربوطه را به آرشیو برنامه خود بیاورد و آیکنی که نمایش دهندهٔ محتوای داخلی فایل فشرده می‌باشد را به ویراستار شکل خود وارد کند. با ویرایش آن، یک جعبهٔ ذخیره‌سازی را باز کرده و آیکن آن را به نرم‌افزار بارگیری بیاورد.
از نظر ادراکی، روش می‌تواند به همراه یک جعبه مکالمهٔ ذخیره‌ای مرسوم استفاده شود، اما نیازمند برنامهٔ کاربران برای داشتن محل مشخص و قابل دسترس در فایل‌های سیستمی می‌باشد. در عمل این حالت استفاده نمی‌شود، بنابراین خط لوله‌های GUI به ندرت به کار گرفته می‌شوند.

ملاحظات دیگر

اسم خط لوله از یک تشابه ناهمگون با لوله کشی فیزیکی در یک خط لولهٔ رایج گرفته شده‌است که اجازهٔ ورود اطلاعات را در همان جهت خط لوله به کاربر می‌دهد. لوله‌ها و فیلترها می‌توانند به عنوان یک برنامهٔ عملکردی دیده شوند که از جریان بایتی برای داده‌های خود استفاده می‌کنند. آن‌ها همچنین می‌توانند به شکل خاصی از یک واحد برای ورودی- خروجی دیده شوند.
مفهوم خط لوله همچنین مرکز توسعه چارچوب تارنما یا پیاده‌سازی هر Xproc ای می‌باشد. که در آنجا اجازهٔ اصلاح را به جریان منبع قبل از نمایش، داده می‌شود. این الگو استفاده از رشته‌های متنی به عنوان ورودی و خروجی برنامه‌ها را افزایش می‌دهد. تکیه داشتن بر متون در زمانی‌که پوسته‌های گرافیکی در برنامه‌های متنی ایجاد می‌شوند، بسیار رایج است.

تاریخچه

خط لوله‌های فرایند توسط Douglas Mcllory ابداع شد. او یکی از اولین طراحان سیستم unix بود، و آن را به عنوان یکی از محبوبترین سیستم‌های عامل مطرح کرد. همچنین این سیستم می‌تواند به عنوان اولین نمونهٔ مهم ترکیبات نرم‌افزاری در نظر گرفته شود.
همچنین ایدهٔ آن به‌طور اتفاقی به سیستم‌های دیگری همچون DOS,OS/2,Windows NT, BeOs, AmigaOS, MorphOS, Mac OS X به کار گرفته شد.