Linux环境进程间通信
——无名管道工作机制研究
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
