圖解?Linux??|??管道通信的原理？

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

不同的進(jìn)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(chǎng)景下，不同進(jìn)程間需要相互通信，比如：進(jìn)程A?負(fù)責(zé)處理用戶的請(qǐng)求，而?進(jìn)程B?負(fù)責(zé)保存處理后的數(shù)據(jù)。那么當(dāng)?進(jìn)程A?處理完請(qǐng)求后，就需要把處理后的數(shù)據(jù)提交給?進(jìn)程B?進(jìn)行存儲(chǔ)。此時(shí)，進(jìn)程A?就需要與?進(jìn)程B?進(jìn)行通信。如下圖所示：

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

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

一、管道的使用

管道?一般用于父子進(jìn)程之間相互通信，一般的用法如下：

• 父進(jìn)程使用?pipe?系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)管道。
• 然后父進(jìn)程使用?fork?系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。
• 由于子進(jìn)程會(huì)繼承父進(jìn)程打開的文件句柄，所以父子進(jìn)程可以通過新創(chuàng)建的管道進(jìn)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(gè)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(gè)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(gè)管理
????ret?=?pipe(fd);
????if?(-1?==?ret)?{
????????printf("failed?to?create?pipe\n");
????????return?-1;
????}
??
????pid?=?fork();?????//?創(chuàng)建子進(jìn)程

????if?(0?==?pid)?{???//?子進(jìn)程
????????close(fd[0]);?//?關(guān)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(jìn)程
????????close(fd[1]);?//?關(guān)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(yùn)行代碼，輸出結(jié)果如下：

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


二、管道的實(shí)現(xiàn)

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

本文使用 Linux-2.6.23 內(nèi)核作為分析對(duì)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(chǔ)數(shù)據(jù)。環(huán)形緩沖區(qū)的原理是：把一個(gè)緩沖區(qū)當(dāng)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(gè)內(nèi)存頁作為環(huán)形緩沖區(qū)，所以這個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)的大小為 64KB（16 * 4KB）。

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

注意：可以將管道文件描述符設(shè)置為非阻塞，這樣對(duì)管道進(jìn)行讀寫操作時(shí)，就不會(huì)阻塞當(dāng)前進(jìn)程。

2. 管道對(duì)象

在 Linux 內(nèi)核中，管道使用?pipe_inode_info?對(duì)象來進(jìn)行管理。我們先來看看?pipe_inode_info?對(duì)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(duì)象各個(gè)字段的作用：

• wait：等待隊(duì)列，用于存儲(chǔ)正在等待管道可讀或者可寫的進(jìn)程。
• bufs：環(huán)形緩沖區(qū)，由 16 個(gè)?pipe_buffer?對(duì)象組成，每個(gè)?pipe_buffer?對(duì)象擁有一個(gè)內(nèi)存頁 ，后面會(huì)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(gè)內(nèi)存頁。
• curbuf：表示當(dāng)前正在讀取環(huán)形緩沖區(qū)的哪個(gè)內(nèi)存頁中的數(shù)據(jù)。
• readers：表示正在讀取管道的進(jìn)程數(shù)。
• writers：表示正在寫入管道的進(jìn)程數(shù)。
• waiting_writers：表示等待管道可寫的進(jìn)程數(shù)。
• inode：與管道關(guān)聯(lián)的?inode?對(duì)象。

由于環(huán)形緩沖區(qū)是由 16 個(gè)?pipe_buffer?對(duì)象組成，所以下面我們來看看?pipe_buffer?對(duì)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(duì)象各個(gè)字段的作用：

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

下圖展示了?pipe_inode_info?對(duì)象與?pipe_buffer?對(duì)象的關(guān)系：

管道的環(huán)形緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)方式與經(jīng)典的環(huán)形緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)方式有點(diǎn)區(qū)別，經(jīng)典的環(huán)形緩沖區(qū)一般先申請(qǐng)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(duì)讀操作與寫操作進(jìn)行定位。

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

那么當(dāng)進(jìn)程從管道讀取數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)核怎么處理呢？下面我們來看看管道讀操作的實(shí)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(shí)，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(shí)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(duì)象的?curbuf?字段與?pipe_buffer?對(duì)象的?offset?字段組合而成：

• pipe_inode_info?對(duì)象的?curbuf?字段表示讀操作要從?bufs?數(shù)組的哪個(gè)?pipe_buffer?中讀取數(shù)據(jù)。
• pipe_buffer?對(duì)象的?offset?字段表示讀操作要從內(nèi)存頁的哪個(gè)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后，會(huì)相應(yīng)移動(dòng)讀指針 n 個(gè)字節(jié)的位置（也就是增加?pipe_buffer?對(duì)象的?offset?字段），并且減少 n 個(gè)字節(jié)的可讀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（也就是減少?pipe_buffer?對(duì)象的?len?字段）。

當(dāng)?pipe_buffer?對(duì)象的?len?字段變?yōu)?0 時(shí)，表示當(dāng)前?pipe_buffer?沒有可讀數(shù)據(jù)，那么將會(huì)對(duì)?pipe_inode_info?對(duì)象的?curbuf?字段移動(dòng)一個(gè)位置，并且其?nrbufs?字段進(jìn)行減一操作。

我們來看看管道讀操作的代碼實(shí)現(xiàn)，讀操作由?pipe_read?函數(shù)完成。為了突出重點(diǎn)，我們只列出關(guān)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(duì)象
????pipe?=?inode->i_pipe;

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

????????if?(bufs)?{
????????????//?3.?獲取讀操作應(yīng)該從環(huán)形緩沖區(qū)的哪個(gè)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(duì)象的?offset?字段的值
????????????buf->len?-=?chars;????//?減少?pipe_buffer?對(duì)象的?len?字段的值

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