Linux环境进程间通信

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Linux环境进程间通信
                ——无名管道工作机制研究

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。

1. fs/pipe.c
   
2. static struct file_system_type pipe_fs_type = {
   
3.         .name                = "pipefs",
   
4.         .get_sb                = pipefs_get_sb,
   
5.         .kill_sb        = kill_anon_super,
   
6. };

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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。

1. static struct super_block *pipefs_get_sb(struct file_system_type *fs_type,
   
2.         int flags, const char *dev_name, void *data)
   
3. {
   
4.         return get_sb_pseudo(fs_type, "pipe:", NULL, PIPEFS_MAGIC);
   
5. }

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上为超级的生成函数。

1. Include/linux/pipe.h
   
2. #ifndef _LINUX_PIPE_FS_I_H
   
3. #define _LINUX_PIPE_FS_I_H
   
4. 
   
5. #define PIPEFS_MAGIC 0x50495045
   
6. struct pipe_inode_info {
   
7.         wait_queue_head_t wait;                              1
   
8.         char *base;                                         2                                                        
   
9.         unsigned int len;                                     3
   
10.         unsigned int start;                                    4
    
11.         unsigned int readers;                                  5
    
12.         unsigned int writers;                                  6
    
13.         unsigned int waiting_writers;                           7
    
14.         unsigned int r_counter;                                8
    
15.         unsigned int w_counter;                               9
    
16.         struct fasync_struct *fasync_readers;                     10
    
17.         struct fasync_struct *fasync_writers;                     11
    
18. };

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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。

1. int do_pipe(int *fd)
   
2. {
   
3.         struct qstr this;
   
4.         char name[32];
   
5.         struct dentry *dentry;
   
6.         struct inode * inode;
   
7.         struct file *f1, *f2;
   
8.         int error;
   
9.         int i,j;
   
10. 
    
11.         error = -ENFILE;
    
12.         f1 = get_empty_filp();//分配文件对象，得到文件对象指针用于读管道
    
13.         if (!f1)
    
14.                 goto no_files;
    
15. 
    
16.         f2 = get_empty_filp();//分配文件对象，得到文件对象指针用于读管道
    
17.         if (!f2)
    
18.                 goto close_f1;
    
19. 
    
20.         inode = get_pipe_inode();     调用get_pipe_inode获得管道类型的索引节点
    
21.         if (!inode)                  的指针inode。
    
22.                 goto close_f12;         
    
23. 
    
24.         error = get_unused_fd();       获得当前进程的两个文件描述符。在当前的
    
25.         if (error < 0)                 进程的进程描述符file域中，有一个fd 域，
    
26.                 goto close_f12_inode;      指向该进程当前打开文件指针数组，数组
    
27.         i=error;                     元素是指向文件对象的指针。
    
28. 
    
29.         error = get_unused_fd();
    
30.         if (error < 0)
    
31.                 goto close_f12_inode_i;
    
32.         j = error;
    
33. 
    
34. 
    
35. 
    
36.         error = -ENOMEM;                              
    
37.         sprintf(name, "[%lu]", inode->;i_ino);                生成对象目录dentry，
    
38.         this.name = name;                               并通过它将上述两个文
    
39.         this.len = strlen(name);                           件对象将的指针与管道
    
40.         this.hash = inode->;i_ino; /* will go */               索引节点连接起来。
    
41.         dentry = d_alloc(pipe_mnt->;mnt_sb->;s_root, &this);
    
42.         if (!dentry)
    
43.                 goto close_f12_inode_i_j;
    
44.         dentry->;d_op = &pipefs_dentry_operations;
    
45.         d_add(dentry, inode);
    
46.         f1->;f_vfsmnt = f2->;f_vfsmnt = mntget(mntget(pipe_mnt));
    
47.         f1->;f_dentry = f2->;f_dentry = dget(dentry);
    
48.         f1->;f_mapping = f2->;f_mapping = inode->;i_mapping;
    
49. 
    
50.         /* read file */
    
51.         f1->;f_pos = f2->;f_pos = 0;      为用于读的两个文件对象设置属性值
    
52.         f1->;f_flags = O_RDONLY;      f_flage设置为只读，f_op设置为
    
53.         f1->;f_op = &read_pipe_fops;     read_pipe_fops 结构的地址。
    
54.         f1->;f_mode = 1;
    
55.         f1->;f_version = 0;
    
56. 
    
57.         /* write file */                  为用于写的两个文件对象设置属性值
    
58.         f2->;f_flags = O_WRONLY;       f_flage设置为只写，f_op设置为
    
59.                                 write_pipe_fops 结构的地址。
    
60.         f2->;f_op = &write_pipe_fops;
    
61.         f2->;f_mode = 2;
    
62.         f2->;f_version = 0;
    
63. 
    
64.         fd_install(i, f1);
    
65.         fd_install(j, f2);
    
66.         fd[0] = i;         将两个文件描述符放入参数fd数组返回
    
67.         fd[1] = j;
    
68.         return 0;
    
69. 
    
70. close_f12_inode_i_j:
    
71.         put_unused_fd(j);
    
72. close_f12_inode_i:
    
73.         put_unused_fd(i);
    
74. close_f12_inode:
    
75.         free_page((unsigned long) PIPE_BASE(*inode));
    
76.         kfree(inode->;i_pipe);
    
77.         inode->;i_pipe = NULL;
    
78.         iput(inode);
    
79. close_f12:
    
80.         put_filp(f2);
    
81. close_f1:
    
82.         put_filp(f1);
    
83. no_files:
    
84.         return error;       
    
85. }

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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：

1. static int pipe_release(struct inode *inode, int decr, int decw)
   
2. {        down(PIPE_SEM(*inode));
   
3.         PIPE_READERS(*inode) -= decr;
   
4.         PIPE_WRITERS(*inode) -= decw;
   
5.         if (!PIPE_READERS(*inode) && !PIPE_WRITERS(*inode)) {
   
6.                 struct pipe_inode_info *info = inode->;i_pipe;
   
7.                 inode->;i_pipe = NULL;
   
8.                 free_page((unsigned long) info->;base);
   
9.                 kfree(info);
   
10.         } else {                wake_up_interruptible(PIPE_WAIT(*inode));
    
11.                 kill_fasync(PIPE_FASYNC_READERS(*inode), SIGIO, POLL_IN);
    
12.                 kill_fasync(PIPE_FASYNC_WRITERS(*inode), SIGIO, POLL_OUT);        }
    
13.         up(PIPE_SEM(*inode));
    
14.         return 0;}

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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。


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
IBM developerWorks 中国网站