Linux 管道pipe的实现原理

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管道

管道是进程间通信的主要手段之一。一个管道实际上就是个只存在于内存中的文件，
对这个文件的操作要通过两个已经打开文件进行，它们分别代表管道的两端。
管道是一种特殊的文件，它不属于某一种文件系统，而是一种独立的文件系统，有其自己的数据结构。
根据管道的适用范围将其分为：无名管道和命名管道。

无名管道

主要用于父进程与子进程之间，或者两个兄弟进程之间。在linux系统中可以通过系统调用建立起一个单向的通信管道，且这种关系只能由父进程来建立。

命名管道

命名管道是建立在实际的磁盘介质或文件系统（而不是只存在于内存中）上有自己名字的文件，任何进程可以在任何时间通过文件名或路径名与该文件建立联系。为了实现命名管道，引入了一种新的文件类型——FIFO文件（遵循先进先出的原则）。
实现一个命名管道实际上就是实现一个FIFO文件。命名管道一旦建立，之后它的读、写以及关闭操作都与普通管道完全相同。虽然FIFO文件的inode节点在磁盘上，但是仅是一个节点而已，文件的数据还是存在于内存缓冲页面中，和普通管道相同。

管道实现机制

管道是由内核管理的一个缓冲区，相当于我们放入内存中的一个纸条。
管道的一端连接一个进程的输出。这个进程会向管道中放入信息。
管道的另一端连接一个进程的输入，这个进程取出被放入管道的信息。
一个缓冲区不需要很大一般为4K大小，它被设计成为环形的数据结构，以便管道可以被循环利用。
当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另一端的进程放入信息。
当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会等待，直到另一端的进程取出信息。
当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。

创建过程

细节

在Linux中，管道的实现并没有使用专门的数据结构，而是借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。
通过将两个file结构指向同一个临时的 VFS 索引节点，而这个 VFS 索引节点又指向一个物理页面而实现的。
如下图有两个 file 数据结构，但它们定义文件操作例程地址是不同的，其中一个是向管道中写入数据的例程地址，
而另一个是从管道中读出数据的例程地址。
这样，用户程序的系统调用仍然是通常的文件操作，而内核却利用这种抽象机制实现了管道这一特殊操作。

读写操作

管道实现的源代码在fs/pipe.c中，在pipe.c中有很多函数，其中有两个函数比较重要，
即管道读函数pipe_read()和管道写函数pipe_wrtie()。
管道写函数通过将字节复制到 VFS 索引节点指向的物理内存而写入数据，而管道读函数则通过复制物理内存中的字节而读出数据。
当然，内核必须利用一定的机制同步对管道的访问，为此，内核使用了锁、等待队列和信号。

当写进程向管道中写入时，它利用标准的库函数write()，系统根据库函数传递的文件描述符，可找到该文件的 file 结构。
file 结构中指定了用来进行写操作的函数（即写入函数）地址，于是，内核调用该函数完成写操作。
写入函数在向内存中写入数据之前，必须首先检查 VFS 索引节点中的信息，同时满足如下条件时，才能进行实际的内存复制工作：

内存中有足够的空间可容纳所有要写入的数据；

内存没有被读程序锁定。

如果同时满足上述条件，写入函数首先锁定内存，然后从写进程的地址空间中复制数据到内存。
否则，写入进程就休眠在 VFS 索引节点的等待队列中，接下来，内核将调用调度程序，而调度程序会选择其他进程运行。
写入进程实际处于可中断的等待状态，当内存中有足够的空间可以容纳写入数据，
或内存被解锁时，读取进程会唤醒写入进程，这时，写入进程将接收到信号。
当数据写入内存之后，内存被解锁，而所有休眠在索引节点的读取进程会被唤醒。

管道的读取过程和写入过程类似。但是，进程可以在没有数据或内存被锁定时立即返回错误信息，而不是阻塞该进程，
这依赖于文件或管道的打开模式。反之，进程可以休眠在索引节点的等待队列中等待写入进程写入数据。
当所有的进程完成了管道操作之后，管道的索引节点被丢弃，而共享数据页也被释放