1、管道（pipe）

管道是進(jìn)程間通信的主要手段之一。一個管道實際上就是個只存在于內(nèi)存中的文件，對這個文件的操作要通過兩個已經(jīng)打開文件進(jìn)行，它們分別代表管道的兩端。管道是一種特殊的文件，它不屬于某一種文件系統(tǒng)，而是一種獨立的文件系統(tǒng)，有其自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)管道的適用范圍將其分為：無名管道和命名管道。

●??? 無名管道

主要用于父進(jìn)程與子進(jìn)程之間，或者兩個兄弟進(jìn)程之間。在linux系統(tǒng)中可以通過系統(tǒng)調(diào)用建立起一個單向的通信管道，且這種關(guān)系只能由父進(jìn)程來建立。因此，每個管道都是單向的，當(dāng)需要雙向通信時就需要建立起兩個管道。管道兩端的進(jìn)程均將該管道看做一個文件，一個進(jìn)程負(fù)責(zé)往管道中寫內(nèi)容，而另一個從管道中讀取。這種傳輸遵循“先入先出”（FIFO）的規(guī)則。

●??? 命名管道

命名管道是為了解決無名管道只能用于近親進(jìn)程之間通信的缺陷而設(shè)計的。命名管道是建立在實際的磁盤介質(zhì)或文件系統(tǒng)（而不是只存在于內(nèi)存中）上有自己名字的文件，任何進(jìn)程可以在任何時間通過文件名或路徑名與該文件建立聯(lián)系。為了實現(xiàn)命名管道，引入了一種新的文件類型——FIFO文件（遵循先進(jìn)先出的原則）。實現(xiàn)一個命名管道實際上就是實現(xiàn)一個FIFO文件。命名管道一旦建立，之后它的讀、寫以及關(guān)閉操作都與普通管道完全相同。雖然FIFO文件的inode節(jié)點在磁盤上，但是僅是一個節(jié)點而已，文件的數(shù)據(jù)還是存在于內(nèi)存緩沖頁面中，和普通管道相同。

2、環(huán)形緩沖區(qū)

每個管道只有一個頁面作為緩沖區(qū)，該頁面是按照環(huán)形緩沖區(qū)的方式來使用的。這種訪問方式是典型的“生產(chǎn)者——消費者”模型。當(dāng)“生產(chǎn)者”進(jìn)程有大量的數(shù)據(jù)需要寫時，而且每當(dāng)寫滿一個頁面就需要進(jìn)行睡眠等待，等待“消費者”從管道中讀走一些數(shù)據(jù)，為其騰出一些空間。相應(yīng)的，如果管道中沒有可讀數(shù)據(jù)，“消費者” 進(jìn)程就要睡眠等待，具體過程如下圖所示。

2.1環(huán)形緩沖區(qū)實現(xiàn)原理

環(huán)形緩沖區(qū)是嵌入式系統(tǒng)中一個常用的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一般采用數(shù)組形式進(jìn)行存儲，即在內(nèi)存中申請一塊連續(xù)的線性空間，可以在初始化的時候把存儲空間一次性分配好。只是要模擬環(huán)形，必須在邏輯上把數(shù)組的頭尾相連接。只要對數(shù)組最后一個元素進(jìn)行特殊的處理——訪問尾部元素的下一元素時，重新回到頭部元素。對于從尾部回到頭部只需模緩沖長度即可（假設(shè)maxlen為環(huán)形緩沖的長度，當(dāng)讀指針read指向尾部元素時，只需執(zhí)行read=read%maxlen即可使read回到頭部元素）。

2.2讀寫操作

環(huán)形緩沖區(qū)要維護(hù)寫端（write）和讀端（read）兩個索引。寫入數(shù)據(jù)時，必須先確保緩沖區(qū)沒有滿，然后才能將數(shù)據(jù)寫入，最后將write指針指向下一個元素；讀取數(shù)據(jù)時，首先要確保緩沖區(qū)不為空，然后返回read指針對應(yīng)得元素，最后使read指向下一個元素的位置。讀寫操作偽代碼：

2.3判斷“滿”和“空”

當(dāng)read和write指向同一個位置時環(huán)形緩沖區(qū)為空或滿。為了區(qū)別環(huán)滿和空，當(dāng)read和write重疊的時候環(huán)空；而當(dāng)write比read快，追到距離read還有一個元素間隔的時候，就認(rèn)為環(huán)已經(jīng)滿了。環(huán)形緩沖區(qū)原理圖如圖3所示。

4.linux內(nèi)核中pipe的讀寫實現(xiàn)

Linux內(nèi)核中采用struct pipe_inode_info結(jié)構(gòu)體來描述一個管道。

其中，當(dāng)pipe為空/滿時，采用等待隊列，該隊列使用自旋鎖進(jìn)行保護(hù)。

用struct Pipe_buffer數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述pipe的緩沖（buffer）

本文重點針對pipe實現(xiàn)中對環(huán)形緩沖區(qū)的操作方法，目的是借鑒學(xué)習(xí)其互斥訪問方法。因此，著重分析pipe_read和pipe_write方法。

●Pipe_read(fs/pipe.c)

訪問pipe對應(yīng)的inode必須獲得相應(yīng)的互斥鎖，防止并發(fā)訪問。

數(shù)據(jù)的讀出放在一個死循環(huán)中，整個for循環(huán)中的代碼均屬于臨界區(qū)，需要互斥鎖進(jìn)行保護(hù)。

有以下幾種情況才會退出：

▲??? 完成數(shù)據(jù)的讀出；

▲??? Pipe沒有writer進(jìn)程

▲??? 進(jìn)程設(shè)置了O_NONBLOCK標(biāo)志

325行將buffer中的數(shù)據(jù)讀出。完成后，緊接著調(diào)整buffer中指針的位置

其中，348行設(shè)置標(biāo)志，do_wakeup為1，說明buffer中已經(jīng)有空位置可以寫入數(shù)據(jù)，這時，可以喚醒等待隊列中的睡眠的寫進(jìn)程。

如果沒有退出，或者成功讀取數(shù)據(jù)，讀進(jìn)程會主動調(diào)用pipe_wait函數(shù)進(jìn)行睡眠等待，直到有writer進(jìn)程寫入數(shù)據(jù)并將其喚醒。

當(dāng)進(jìn)程從臨界區(qū)中退出后會釋放互斥鎖。

最后，為了防止reader進(jìn)程是因為收到信號量而退出，再給睡眠的writer進(jìn)程一次機會，檢查do_wakeup，如果為1就喚醒睡眠的writer進(jìn)程。

●??? pipe_write(fs/pipe.c)

首先，與pipe_read相同，pipe_write采用互斥鎖對臨界區(qū)進(jìn)行保護(hù)。寫操作也放在死循環(huán)中，退出條件也與read相同。

與pipe_read不同，writer進(jìn)程不總是睡眠等待，在調(diào)用pipe_wait進(jìn)行睡眠后，如果有read進(jìn)程讀走某些數(shù)據(jù)，write進(jìn)程會隨時進(jìn)行寫操作。

FIFO文件的操作方法只有open方法（具體實現(xiàn)在fs/fifo.c）。但是，這并不是fifo文件真正的操作方法，其真正的讀寫方法是根據(jù)不同的打開方式而決定的。

FIFO文件的打開操作

第一次打開fifo文件的進(jìn)程調(diào)用fifo_open時，該命名管道的緩沖頁面還沒有分配，

因此43行中alloc_pipe_info()函數(shù)會被執(zhí)行。

分配所需要的pipe_inode_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和緩沖頁面。以后打開該文件的進(jìn)程會跳過該部分。

Fifo可以以“只讀”、“只寫”、“讀寫”三種方式打開。另外，open系統(tǒng)調(diào)用中有flag參數(shù)，如果調(diào)用fifo_open的進(jìn)程開始時設(shè)置了flag中的O_NONBLOCK參數(shù)為1，則在打開的過程中無論是否可以正常打開，進(jìn)程都不能進(jìn)入睡眠，必須立即返回。下面具體分析每個打開方式的不同操作。

◆??? 以“只讀”方式打開。即命名管道的讀端的幾種情況：

a)????? 如果命名管道的寫端已經(jīng)打開，那么管道的創(chuàng)建就完成了。這時，一般寫端（生產(chǎn)者）一般都在睡眠，因此要調(diào)用wake_up_partner()將其喚醒。

b)???? 如果寫端沒有打開，而且設(shè)置了O_NONBLOCK標(biāo)志，此時盡管讀端已經(jīng)打開，但是沒有完成管道的打開，由于進(jìn)程要求不能等待，因此必須立即返回。

c)????? 寫讀沒有打開，但是沒有設(shè)置O_NONBLOCK標(biāo)志，讀進(jìn)程調(diào)用wait_for_partner()函數(shù)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)等待寫讀打開后將其喚醒。

◆??? 以“只寫”方式打開。即打開命名管道寫端的幾種情況：

a)????? 如果命名管道的讀端沒有打開，并且設(shè)置了O_NONBLOCK標(biāo)志，寫端進(jìn)程就要直接跳轉(zhuǎn)到err處（判斷是否有讀進(jìn)程或?qū)戇M(jìn)程在睡眠，如果沒有就釋放pipe_inode_info）執(zhí)行。否則，讓filp的f_op指向write_pipefifo_fops方法。然后管道的寫進(jìn)程計數(shù)加1

b)???? 如果命名管道的讀端已經(jīng)打開，那么寫端就完成了命名管道的打開。此時，讀端一般都在睡眠等待，應(yīng)該調(diào)用wake_up_partner()將其喚醒。

c)????? 如果命名管道讀端沒有打開，那么寫端就要調(diào)用wait_for_partner()進(jìn)入睡眠等待，直到讀端打開，將其喚醒之后才能返回。

◆??? 以“讀寫”方式打開

讀寫的方式打開命名管道，相當(dāng)于同一個進(jìn)程打開了命名管道的兩端，因此不需要等待。但是，也有可能已經(jīng)有進(jìn)程已經(jīng)打開了某一端正在睡眠等待，因此，任意一端第一次打開，就喚醒了正在睡眠的進(jìn)程。這種打開方式下，真正的操作方法是rdwr_pipefifo_fops。

命名管道一旦建立，以后的讀寫以及關(guān)閉都與普通管道相同。盡管FIFO文件的inode節(jié)點是在磁盤上，但是數(shù)據(jù)只是存在于內(nèi)存緩存中，與普通管道相同。

分析完FIFO文件的不同打開方式之后，接下來分析各自對應(yīng)的操作方法。具體實現(xiàn)在

Fs/pipe.c文件中。

首先，我們可以看到在三個操作方法中l(wèi)lseek都調(diào)用的是no_llseek。

從代碼中，可以發(fā)現(xiàn)no_llseek并沒有做任何事情，只是在被調(diào)用的時候返回錯誤代碼。也就是在FIFO文件中是不能使用seek方法的，對文件的讀寫只能根據(jù)先進(jìn)先出的順序進(jìn)行訪問。

接下來，在read_pipefifo_fops和write_pipefifo_fops中分別調(diào)用了bad_pipe_w和bad_pipe_r函數(shù)：

從代碼中，可以看到它們也只是返回錯誤碼，也就是說在pipe中讀端寫操作是禁止的，在寫端讀操作同樣也是禁止的。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux内核中无名管道pipe和有名管道fifo的分析的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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