1、管道（pipe）

管道是進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存中的文件，對這個文件的操作要通過兩個已經打開文件進行，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，而是一種獨立的文件系統，有其自己的數據結構。根據管道的適用范圍將其分為：無名管道和命名管道。

●??? 無名管道

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

●??? 命名管道

命名管道是為了解決無名管道只能用于近親進程之間通信的缺陷而設計的。命名管道是建立在實際的磁盤介質或文件系統（而不是只存在于內存中）上有自己名字的文件，任何進程可以在任何時間通過文件名或路徑名與該文件建立聯系。為了實現命名管道，引入了一種新的文件類型——FIFO文件（遵循先進先出的原則）。實現一個命名管道實際上就是實現一個FIFO文件。命名管道一旦建立，之后它的讀、寫以及關閉操作都與普通管道完全相同。雖然FIFO文件的inode節點在磁盤上，但是僅是一個節點而已，文件的數據還是存在于內存緩沖頁面中，和普通管道相同。

2、環形緩沖區

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

2.1環形緩沖區實現原理

環形緩沖區是嵌入式系統中一個常用的重要數據結構。一般采用數組形式進行存儲，即在內存中申請一塊連續的線性空間，可以在初始化的時候把存儲空間一次性分配好。只是要模擬環形，必須在邏輯上把數組的頭尾相連接。只要對數組最后一個元素進行特殊的處理——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maxlen為環形緩沖的長度，當讀指針read指向尾部元素時，只需執行read=read%maxlen即可使read回到頭部元素）。

2.2讀寫操作

環形緩沖區要維護寫端（write）和讀端（read）兩個索引。寫入數據時，必須先確保緩沖區沒有滿，然后才能將數據寫入，最后將write指針指向下一個元素；讀取數據時，首先要確保緩沖區不為空，然后返回read指針對應得元素，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read和write指向同一個位置時環形緩沖區為空或滿。為了區別環滿和空，當read和write重疊的時候環空；而當write比read快，追到距離read還有一個元素間隔的時候，就認為環已經滿了。環形緩沖區原理圖如圖3所示。

4.linux內核中pipe的讀寫實現

Linux內核中采用struct pipe_inode_info結構體來描述一個管道。

其中，當pipe為空/滿時，采用等待隊列，該隊列使用自旋鎖進行保護。

用struct Pipe_buffer數據結構描述pipe的緩沖（buffer）

本文重點針對pipe實現中對環形緩沖區的操作方法，目的是借鑒學習其互斥訪問方法。因此，著重分析pipe_read和pipe_write方法。

●Pipe_read(fs/pipe.c)

訪問pipe對應的inode必須獲得相應的互斥鎖，防止并發訪問。

數據的讀出放在一個死循環中，整個for循環中的代碼均屬于臨界區，需要互斥鎖進行保護。

有以下幾種情況才會退出：

▲??? 完成數據的讀出；

▲??? Pipe沒有writer進程

▲??? 進程設置了O_NONBLOCK標志

325行將buffer中的數據讀出。完成后，緊接著調整buffer中指針的位置

其中，348行設置標志，do_wakeup為1，說明buffer中已經有空位置可以寫入數據，這時，可以喚醒等待隊列中的睡眠的寫進程。

如果沒有退出，或者成功讀取數據，讀進程會主動調用pipe_wait函數進行睡眠等待，直到有writer進程寫入數據并將其喚醒。

當進程從臨界區中退出后會釋放互斥鎖。

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

●??? pipe_write(fs/pipe.c)

首先，與pipe_read相同，pipe_write采用互斥鎖對臨界區進行保護。寫操作也放在死循環中，退出條件也與read相同。

與pipe_read不同，writer進程不總是睡眠等待，在調用pipe_wait進行睡眠后，如果有read進程讀走某些數據，write進程會隨時進行寫操作。

FIFO文件的操作方法只有open方法（具體實現在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文件的進程調用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()函數會被執行。

分配所需要的pipe_inode_info數據結構和緩沖頁面。以后打開該文件的進程會跳過該部分。

Fifo可以以“只讀”、“只寫”、“讀寫”三種方式打開。另外，open系統調用中有flag參數，如果調用fifo_open的進程開始時設置了flag中的O_NONBLOCK參數為1，則在打開的過程中無論是否可以正常打開，進程都不能進入睡眠，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打開，那么管道的創建就完成了。這時，一般寫端（生產者）一般都在睡眠，因此要調用wake_up_partner()將其喚醒。

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

c)????? 寫讀沒有打開，但是沒有設置O_NONBLOCK標志，讀進程調用wait_for_partner()函數，進入睡眠狀態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，并且設置了O_NONBLOCK標志，寫端進程就要直接跳轉到err處（判斷是否有讀進程或寫進程在睡眠，如果沒有就釋放pipe_inode_info）執行。否則，讓filp的f_op指向write_pipefifo_fops方法。然后管道的寫進程計數加1

b)???? 如果命名管道的讀端已經打開，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，應該調用wake_up_partner()將其喚醒。

c)????? 如果命名管道讀端沒有打開，那么寫端就要調用wait_for_partner()進入睡眠等待，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，相當于同一個進程打開了命名管道的兩端，因此不需要等待。但是，也有可能已經有進程已經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，以后的讀寫以及關閉都與普通管道相同。盡管FIFO文件的inode節點是在磁盤上，但是數據只是存在于內存緩存中，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的操作方法。具體實現在

Fs/pipe.c文件中。

首先，我們可以看到在三個操作方法中llseek都調用的是no_llseek。

從代碼中，可以發現no_llseek并沒有做任何事情，只是在被調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先進先出的順序進行訪問。

接下來，在read_pipefifo_fops和write_pipefifo_fops中分別調用了bad_pipe_w和bad_pipe_r函數：

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

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的分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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