圖解?Linux??|??管道通信的原理？

處于安全的考慮，不同進程之間的內(nèi)存空間是相互隔離的，也就是說?進程A?是不能訪問?進程B?的內(nèi)存空間，反之亦然。如果不同進程間能夠相互訪問和修改對方的內(nèi)存，那么當前進程的內(nèi)存就有可能被其他進程非法修改，從而導致安全隱患。

不同的進程就像是大海上孤立的島嶼，它們之間不能直接相互通信，如下圖所示：

但某些場景下，不同進程間需要相互通信，比如：進程A?負責處理用戶的請求，而?進程B?負責保存處理后的數(shù)據(jù)。那么當?進程A?處理完請求后，就需要把處理后的數(shù)據(jù)提交給?進程B?進行存儲。此時，進程A?就需要與?進程B?進行通信。如下圖所示：

由于不同進程間是相互隔離的，所以必須借助內(nèi)核來作為橋梁來進行相互通信，內(nèi)核相當于島嶼之間的輪船，如下圖所示：

內(nèi)核提供多種進程間通信的方式，如：共享內(nèi)存，信號，消息隊列?和?管道（pipe）?等。本文主要介紹?管道?的原理與實現(xiàn)。

一、管道的使用

管道?一般用于父子進程之間相互通信，一般的用法如下：

• 父進程使用?pipe?系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個管道。
• 然后父進程使用?fork?系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個子進程。
• 由于子進程會繼承父進程打開的文件句柄，所以父子進程可以通過新創(chuàng)建的管道進行通信。

其原理如下圖所示：

由于管道分為讀端和寫端，所以需要兩個文件描述符來管理管道：fd[0]?為讀端，fd[1]?為寫端。

下面代碼介紹了怎么使用?pipe?系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建一個管道：

#include?
#include?
#include?
#include?
#include?

int?main()
{
????int?ret?=?-1;
????int?fd[2];??//?用于管理管道的文件描述符
????pid_t?pid;
????char?buf[512]?=?{0};
????char?*msg?=?"hello?world";

????//?創(chuàng)建一個管理
????ret?=?pipe(fd);
????if?(-1?==?ret)?{
????????printf("failed?to?create?pipe\n");
????????return?-1;
????}
??
????pid?=?fork();?????//?創(chuàng)建子進程

????if?(0?==?pid)?{???//?子進程
????????close(fd[0]);?//?關閉管道的讀端
????????ret?=?write(fd[1],?msg,?strlen(msg));?//?向管道寫端寫入數(shù)據(jù)
????????exit(0);
????}?else?{??????????//?父進程
????????close(fd[1]);?//?關閉管道的寫端
????????ret?=?read(fd[0],?buf,?sizeof(buf));?//?從管道的讀端讀取數(shù)據(jù)
????????printf("parent?read?%d?bytes?data:?%s\n",?ret,?buf);
????}

????return?0;
}
編譯代碼：

[root@localhost pipe]# gcc -g pipe.c -o pipe
運行代碼，輸出結果如下：

[root@localhost pipe]# ./pipe
parent read 11 bytes data: hello world


二、管道的實現(xiàn)

每個進程的用戶空間都是獨立的，但內(nèi)核空間卻是共用的。所以，進程間通信必須由內(nèi)核提供服務。前面介紹了?管道(pipe)?的使用，接下來將會介紹管道在內(nèi)核中的實現(xiàn)方式。

本文使用 Linux-2.6.23 內(nèi)核作為分析對象。

1. 環(huán)形緩沖區(qū)（Ring Buffer）

在內(nèi)核中，管道?使用了環(huán)形緩沖區(qū)來存儲數(shù)據(jù)。環(huán)形緩沖區(qū)的原理是：把一個緩沖區(qū)當成是首尾相連的環(huán)，其中通過讀指針和寫指針來記錄讀操作和寫操作位置。如下圖所示：

在 Linux 內(nèi)核中，使用了 16 個內(nèi)存頁作為環(huán)形緩沖區(qū)，所以這個環(huán)形緩沖區(qū)的大小為 64KB（16 * 4KB）。

當向管道寫數(shù)據(jù)時，從寫指針指向的位置開始寫入，并且將寫指針向前移動。而從管道讀取數(shù)據(jù)時，從讀指針開始讀入，并且將讀指針向前移動。當對沒有數(shù)據(jù)可讀的管道進行讀操作，將會阻塞當前進程。而對沒有空閑空間的管道進行寫操作，也會阻塞當前進程。

注意：可以將管道文件描述符設置為非阻塞，這樣對管道進行讀寫操作時，就不會阻塞當前進程。

2. 管道對象

在 Linux 內(nèi)核中，管道使用?pipe_inode_info?對象來進行管理。我們先來看看?pipe_inode_info?對象的定義，如下所示：

struct?pipe_inode_info?{
????wait_queue_head_t?wait;
????unsigned?int?nrbufs,
????unsigned?int?curbuf;
????...
????unsigned?int?readers;
????unsigned?int?writers;
????unsigned?int?waiting_writers;
????...
????struct?inode?*inode;
????struct?pipe_buffer?bufs[16];
};
下面介紹一下?pipe_inode_info?對象各個字段的作用：

• wait：等待隊列，用于存儲正在等待管道可讀或者可寫的進程。
• bufs：環(huán)形緩沖區(qū)，由 16 個?pipe_buffer?對象組成，每個?pipe_buffer?對象擁有一個內(nèi)存頁 ，后面會介紹。
• nrbufs：表示未讀數(shù)據(jù)已經(jīng)占用了環(huán)形緩沖區(qū)的多少個內(nèi)存頁。
• curbuf：表示當前正在讀取環(huán)形緩沖區(qū)的哪個內(nèi)存頁中的數(shù)據(jù)。
• readers：表示正在讀取管道的進程數(shù)。
• writers：表示正在寫入管道的進程數(shù)。
• waiting_writers：表示等待管道可寫的進程數(shù)。
• inode：與管道關聯(lián)的?inode?對象。

由于環(huán)形緩沖區(qū)是由 16 個?pipe_buffer?對象組成，所以下面我們來看看?pipe_buffer?對象的定義：

struct?pipe_buffer?{
????struct?page?*page;
????unsigned?int?offset;
????unsigned?int?len;
????...
};
下面介紹一下?pipe_buffer?對象各個字段的作用：

• page：指向?pipe_buffer?對象占用的內(nèi)存頁。
• offset：如果進程正在讀取當前內(nèi)存頁的數(shù)據(jù)，那么?offset?指向正在讀取當前內(nèi)存頁的偏移量。
• len：表示當前內(nèi)存頁擁有未讀數(shù)據(jù)的長度。

下圖展示了?pipe_inode_info?對象與?pipe_buffer?對象的關系：

管道的環(huán)形緩沖區(qū)實現(xiàn)方式與經(jīng)典的環(huán)形緩沖區(qū)實現(xiàn)方式有點區(qū)別，經(jīng)典的環(huán)形緩沖區(qū)一般先申請一塊地址連續(xù)的內(nèi)存塊，然后通過讀指針與寫指針來對讀操作與寫操作進行定位。

但為了減少對內(nèi)存的使用，內(nèi)核不會在創(chuàng)建管道時就申請 64K 的內(nèi)存塊，而是在進程向管道寫入數(shù)據(jù)時，按需來申請內(nèi)存。

那么當進程從管道讀取數(shù)據(jù)時，內(nèi)核怎么處理呢？下面我們來看看管道讀操作的實現(xiàn)方式。

3. 讀操作

從?經(jīng)典的環(huán)形緩沖區(qū)?中讀取數(shù)據(jù)時，首先通過讀指針來定位到讀取數(shù)據(jù)的起始地址，然后判斷環(huán)形緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)可讀，如果有就從環(huán)形緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)到用戶空間的緩沖區(qū)中。如下圖所示：

而?管道的環(huán)形緩沖區(qū)?與?經(jīng)典的環(huán)形緩沖區(qū)?實現(xiàn)稍有不同，管道的環(huán)形緩沖區(qū)?其讀指針是由?pipe_inode_info?對象的?curbuf?字段與?pipe_buffer?對象的?offset?字段組合而成：

• pipe_inode_info?對象的?curbuf?字段表示讀操作要從?bufs?數(shù)組的哪個?pipe_buffer?中讀取數(shù)據(jù)。
• pipe_buffer?對象的?offset?字段表示讀操作要從內(nèi)存頁的哪個位置開始讀取數(shù)據(jù)。

讀取數(shù)據(jù)的過程如下圖所示：

從緩沖區(qū)中讀取到 n 個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，會相應移動讀指針 n 個字節(jié)的位置（也就是增加?pipe_buffer?對象的?offset?字段），并且減少 n 個字節(jié)的可讀數(shù)據(jù)長度（也就是減少?pipe_buffer?對象的?len?字段）。

當?pipe_buffer?對象的?len?字段變?yōu)?0 時，表示當前?pipe_buffer?沒有可讀數(shù)據(jù)，那么將會對?pipe_inode_info?對象的?curbuf?字段移動一個位置，并且其?nrbufs?字段進行減一操作。

我們來看看管道讀操作的代碼實現(xiàn)，讀操作由?pipe_read?函數(shù)完成。為了突出重點，我們只列出關鍵代碼，如下所示：

static?ssize_t
pipe_read(struct?kiocb?*iocb,?const?struct?iovec?*_iov,?unsigned?long?nr_segs,
??????????loff_t?pos)
{
????...
????struct?pipe_inode_info?*pipe;

????//?1.?獲取管道對象
????pipe?=?inode->i_pipe;

????for?(;;)?{
????????//?2.?獲取管道未讀數(shù)據(jù)占有多少個內(nèi)存頁
????????int?bufs?=?pipe->nrbufs;

????????if?(bufs)?{
????????????//?3.?獲取讀操作應該從環(huán)形緩沖區(qū)的哪個內(nèi)存頁處讀取數(shù)據(jù)
????????????int?curbuf?=?pipe->curbuf;??
????????????struct?pipe_buffer?*buf?=?pipe->bufs? ?curbuf;
????????????...

????????????/*?4.?通過?pipe_buffer?的?offset?字段獲取真正的讀指針,
?????????????*????并且從管道中讀取數(shù)據(jù)到用戶緩沖區(qū).
?????????????*/
????????????error?=?pipe_iov_copy_to_user(iov,?addr? ?buf->offset,?chars,?atomic);
????????????...

????????????ret? =?chars;
????????????buf->offset? =?chars;?//?增加?pipe_buffer?對象的?offset?字段的值
????????????buf->len?-=?chars;????//?減少?pipe_buffer?對象的?len?字段的值

????????????/*?5.?如果當前內(nèi)存頁的數(shù)據(jù)已經(jīng)被讀取完畢?*/
????????????if?(!buf->len)?{
????????????????...
????????????????curbuf?=?(curbuf? ?1)?