作者：曹成 

引言

Linux作为一个开源的操作系统，是我们进行操作系统和提高编程水平的最佳途径之一。

好的程序如同好的音乐一样，完成的完美、巧妙。开放源码的程序都是经过无数人检验地，本文将以linux-kernel-2.6.5为例对pipe的工作机制进行阐述。

一、        进程间通信的分类

    大型程序大多会涉及到某种形式的进程间通信，一个较大型的应用程序设计成可以相互通信的“碎片”，从而就把一个任务分到多个进程中去。进程间通信的方法有三种方式：

      管道（pipe）

      套接字（socket）

      System v IPC 机制

管道机制在UNIX开发的早期就已经提供了，它在本机上的两个进程间的数据传递表现的相当出色；套接字是在BSD（Berkeley Software Development）中出现的，现在的应用也相当的广泛；而System V IPC机制Unix System V 版本中出现的。

二、        工作机制

管道分为pipe（无名管道）和FIFO（    命名管道），它们都是通过内核缓冲区按先进先出的方式数据传输，管道一端顺序地写入数据，另一端顺序地读入数据读写的位置都是自动增加，数据只读一次，之后就被释放。在缓冲区写满时，则由相应的规则控制读写进程进入等待队列，当空的缓冲区有写入数据或满的缓冲区有数据读出时，就唤醒等待队列中的写进程继续读写。

 

管道的读写规则：

 

管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字fd[1]来表示，称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道，如close、read、write等等。

四、pipe的数据结构

首先要定义一个文件系统类型：pipe_fs_type。

fs/pipe.c

static struct file_system_type pipe_fs_type = {

.name      = "pipefs",

.get_sb       = pipefs_get_sb,

.kill_sb   = kill_anon_super,

};

变量pipe_fs_type其类型是 struct file_system_type 用于向系统注册文件系统。

Pipe以类似文件的方式与进程交互，但在磁盘上无对应节点，因此效率较高。Pipe主要包括一个inode和两个file结构——分别用于读和写。Pipe的缓冲区首地址就存放在inode的i_pipe域指向pipe_inode_info结构中。但是要注意pipe的inode并没有磁盘上的映象，只在内存中交换数据。

 

static struct super_block *pipefs_get_sb(struct file_system_type *fs_type,

int flags, const char *dev_name, void *data)

{

return get_sb_pseudo(fs_type, "pipe:", NULL, PIPEFS_MAGIC);

}

上为超级的生成函数。

Include/linux/pipe.h

#ifndef _LINUX_PIPE_FS_I_H

#define _LINUX_PIPE_FS_I_H

 

#define PIPEFS_MAGIC 0x50495045

struct pipe_inode_info {

       wait_queue_head_t wait;                              1

       char *base;                                         2                                                       

       unsigned int len;                                     3

       unsigned int start;                                    4

       unsigned int readers;                                  5

       unsigned int writers;                                  6

       unsigned int waiting_writers;                           7

       unsigned int r_counter;                                8

       unsigned int w_counter;                               9

       struct fasync_struct *fasync_readers;                     10

       struct fasync_struct *fasync_writers;                     11

};

2 管道等待队列指针wait

3 内核缓冲区基地址base

4 缓冲区当前数据量

6 管道的读者数据量

7 管道的写者数据量

8 等待队列的读者个数

9 等待队列的写者个数

11、12 主要对 FIFO

五、管道的创建:

通过pipe系统调用来创建管道。

int do_pipe(int *fd)

{

       struct qstr this;

       char name[32];

       struct dentry *dentry;

       struct inode * inode;

       struct file *f1, *f2;

       int error;

       int i,j;

 

       error = -ENFILE;

       f1 = get_empty_filp();//分配文件对象，得到文件对象指针用于读管道

       if (!f1)

              goto no_files;

 

       f2 = get_empty_filp();//分配文件对象，得到文件对象指针用于读管道

       if (!f2)

              goto close_f1;

 

       inode = get_pipe_inode();     调用get_pipe_inode获得管道类型的索引节点

       if (!inode)                  的指针inode。

              goto close_f12;          

 

       error = get_unused_fd();       获得当前进程的两个文件描述符。在当前的

       if (error < 0)                 进程的进程描述符file域中，有一个fd 域，

              goto close_f12_inode;      指向该进程当前打开文件指针数组，数组

       i=error;                     元素是指向文件对象的指针。

 

       error = get_unused_fd();

       if (error < 0)

              goto close_f12_inode_i;

       j = error;

 

 

 

       error = -ENOMEM;                             

       sprintf(name, "[%lu]", inode->i_ino);                生成对象目录dentry，

       this.name = name;                               并通过它将上述两个文

       this.len = strlen(name);                           件对象将的指针与管道

       this.hash = inode->i_ino; /* will go */               索引节点连接起来。

       dentry = d_alloc(pipe_mnt->mnt_sb->s_root, &this);

       if (!dentry)

              goto close_f12_inode_i_j;

       dentry->d_op = &pipefs_dentry_operations;

       d_add(dentry, inode);

       f1->f_vfsmnt = f2->f_vfsmnt = mntget(mntget(pipe_mnt));

       f1->f_dentry = f2->f_dentry = dget(dentry);

       f1->f_mapping = f2->f_mapping = inode->i_mapping;

 

       /* read file */

       f1->f_pos = f2->f_pos = 0;      为用于读的两个文件对象设置属性值

       f1->f_flags = O_RDONLY;      f_flage设置为只读，f_op设置为

       f1->f_op = &read_pipe_fops;     read_pipe_fops 结构的地址。

       f1->f_mode = 1;

       f1->f_version = 0;

 

       /* write file */                  为用于写的两个文件对象设置属性值

       f2->f_flags = O_WRONLY;       f_flage设置为只写，f_op设置为

                                write_pipe_fops 结构的地址。

       f2->f_op = &write_pipe_fops;

       f2->f_mode = 2;

       f2->f_version = 0;

 

       fd_install(i, f1);

       fd_install(j, f2);

       fd[0] = i;         将两个文件描述符放入参数fd数组返回

       fd[1] = j;

       return 0;

 

close_f12_inode_i_j:

       put_unused_fd(j);

close_f12_inode_i:

       put_unused_fd(i);

close_f12_inode:

       free_page((unsigned long) PIPE_BASE(*inode));

       kfree(inode->i_pipe);

       inode->i_pipe = NULL;

       iput(inode);

close_f12:

       put_filp(f2);

close_f1:

       put_filp(f1);

no_files:

       return error;  

}

六、管道的释放

管道释放时f-op的release域在读管道和写管道中分别指向pipe_read_release()和pipe_write_release()。而这两个函数都调用release（），并决定是否释放pipe的内存页面或唤醒该管道等待队列的进程。

以下为管道释放的代码：

static int pipe_release(struct inode *inode, int decr, int decw)

{     down(PIPE_SEM(*inode));

       PIPE_READERS(*inode) -= decr;

       PIPE_WRITERS(*inode) -= decw;

       if (!PIPE_READERS(*inode) && !PIPE_WRITERS(*inode)) {

              struct pipe_inode_info *info = inode->i_pipe;

              inode->i_pipe = NULL;

              free_page((unsigned long) info->base);

              kfree(info);

       } else {          wake_up_interruptible(PIPE_WAIT(*inode));

              kill_fasync(PIPE_FASYNC_READERS(*inode), SIGIO, POLL_IN);

              kill_fasync(PIPE_FASYNC_WRITERS(*inode), SIGIO, POLL_OUT);  }

       up(PIPE_SEM(*inode));

       return 0;}

七、管道的读写

1．从管道中读取数据：

如果管道的写端不存在，则认为已经读到了数据的末尾，读函数返回的读出字节数为0；

当管道的写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF，则返回管道中现有的数据字节数，如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF，则返回管道中现有数据字节数（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）。

2．向管道中写入数据：

向管道中写入数据时，linux将不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。

八、管道的局限性

管道的主要局限性正体现在它的特点上：

只支持单向数据流； 只能用于具有亲缘关系的进程之间； 没有名字； 管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）； 管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等。

九、后记

    写完本文之后，发现有部分不足之处。在由于管道读写的代码过于冗长，限于篇幅不一一列出。有不足和错误之处还请各位老师指正。通过一段时间对Linux的内核代码的学习，开源的程序往往并非由“权威人士”、“享誉海内外的专家”所编写，它们的由一个个普通的程序员写就。但专业造就专家，长时间集中在某个领域中能够创建出据程序员应该珍视的财富。

完成之时特别感谢我的搭档周欣和张博的大力支持和帮助。

 

十、参考资料

《代码阅读方法与实践》 （希腊）Diomidis Spinellis  著

                                赵学良              译

                         清华大学出版社

《Linux 内核指导》      李善平     陈文智  著

                         浙江大学出版社

《Linux程序设计权威指南》  于明俭 陈向阳 方汉 编著

                         机械工业出版社

 IBM developerWorks 中国网站

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