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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