图解 Linux | 管道通信的原理？

处于安全的考虑，不同进程之间的内存空间是相互隔离的，也就是说 进程A 是不能访问 进程B 的内存空间，反之亦然。如果不同进程间能够相互访问和修改对方的内存，那么当前进程的内存就有可能被其他进程非法修改，从而导致安全隐患。

不同的进程就像是大海上孤立的岛屿，它们之间不能直接相互通信，如下图所示：

但某些场景下，不同进程间需要相互通信，比如：进程A 负责处理用户的请求，而 进程B 负责保存处理后的数据。那么当 进程A 处理完请求后，就需要把处理后的数据提交给 进程B 进行存储。此时，进程A 就需要与 进程B 进行通信。如下图所示：

由于不同进程间是相互隔离的，所以必须借助内核来作为桥梁来进行相互通信，内核相当于岛屿之间的轮船，如下图所示：

内核提供多种进程间通信的方式，如：共享内存，信号，消息队列 和 管道（pipe） 等。本文主要介绍 管道 的原理与实现。

一、管道的使用

管道 一般用于父子进程之间相互通信，一般的用法如下：

• 父进程使用 pipe 系统调用创建一个管道。
• 然后父进程使用 fork 系统调用创建一个子进程。
• 由于子进程会继承父进程打开的文件句柄，所以父子进程可以通过新创建的管道进行通信。

其原理如下图所示：

由于管道分为读端和写端，所以需要两个文件描述符来管理管道：fd[0] 为读端，fd[1] 为写端。

下面代码介绍了怎么使用 pipe 系统调用来创建一个管道：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

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";

    // 创建一个管理
    ret = pipe(fd);
    if (-1 == ret) {
        printf("failed to create pipe\n");
        return -1;
    }
  
    pid = fork();     // 创建子进程

    if (0 == pid) {   // 子进程
        close(fd[0]); // 关闭管道的读端
        ret = write(fd[1], msg, strlen(msg)); // 向管道写端写入数据
        exit(0);
    } else {          // 父进程
        close(fd[1]); // 关闭管道的写端
        ret = read(fd[0], buf, sizeof(buf)); // 从管道的读端读取数据
        printf("parent read %d bytes data: %s\n", ret, buf);
    }

    return 0;
}

编译代码：

[root@localhost pipe]# gcc -g pipe.c -o pipe

运行代码，输出结果如下：

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

二、管道的实现

每个进程的用户空间都是独立的，但内核空间却是共用的。所以，进程间通信必须由内核提供服务。前面介绍了 管道(pipe) 的使用，接下来将会介绍管道在内核中的实现方式。

本文使用 Linux-2.6.23 内核作为分析对象。

1. 环形缓冲区（Ring Buffer）

在内核中，管道 使用了环形缓冲区来存储数据。环形缓冲区的原理是：把一个缓冲区当成是首尾相连的环，其中通过读指针和写指针来记录读操作和写操作位置。如下图所示：

在 Linux 内核中，使用了 16 个内存页作为环形缓冲区，所以这个环形缓冲区的大小为 64KB（16 * 4KB）。

当向管道写数据时，从写指针指向的位置开始写入，并且将写指针向前移动。而从管道读取数据时，从读指针开始读入，并且将读指针向前移动。当对没有数据可读的管道进行读操作，将会阻塞当前进程。而对没有空闲空间的管道进行写操作，也会阻塞当前进程。

注意：可以将管道文件描述符设置为非阻塞，这样对管道进行读写操作时，就不会阻塞当前进程。

2. 管道对象

在 Linux 内核中，管道使用 pipe_inode_info 对象来进行管理。我们先来看看 pipe_inode_info 对象的定义，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];
};

下面介绍一下 pipe_inode_info 对象各个字段的作用：

• wait：等待队列，用于存储正在等待管道可读或者可写的进程。
• bufs：环形缓冲区，由 16 个 pipe_buffer 对象组成，每个 pipe_buffer 对象拥有一个内存页 ，后面会介绍。
• nrbufs：表示未读数据已经占用了环形缓冲区的多少个内存页。
• curbuf：表示当前正在读取环形缓冲区的哪个内存页中的数据。
• readers：表示正在读取管道的进程数。
• writers：表示正在写入管道的进程数。
• waiting_writers：表示等待管道可写的进程数。
• inode：与管道关联的 inode 对象。

由于环形缓冲区是由 16 个 pipe_buffer 对象组成，所以下面我们来看看 pipe_buffer 对象的定义：

struct pipe_buffer {
    struct page *page;
    unsigned int offset;
    unsigned int len;
    ...
};

下面介绍一下 pipe_buffer 对象各个字段的作用：

• page：指向 pipe_buffer 对象占用的内存页。
• offset：如果进程正在读取当前内存页的数据，那么 offset 指向正在读取当前内存页的偏移量。
• len：表示当前内存页拥有未读数据的长度。

下图展示了 pipe_inode_info 对象与 pipe_buffer 对象的关系：

管道的环形缓冲区实现方式与经典的环形缓冲区实现方式有点区别，经典的环形缓冲区一般先申请一块地址连续的内存块，然后通过读指针与写指针来对读操作与写操作进行定位。

但为了减少对内存的使用，内核不会在创建管道时就申请 64K 的内存块，而是在进程向管道写入数据时，按需来申请内存。

那么当进程从管道读取数据时，内核怎么处理呢？下面我们来看看管道读操作的实现方式。

3. 读操作

从 经典的环形缓冲区 中读取数据时，首先通过读指针来定位到读取数据的起始地址，然后判断环形缓冲区中是否有数据可读，如果有就从环形缓冲区中读取数据到用户空间的缓冲区中。如下图所示：

而 管道的环形缓冲区 与 经典的环形缓冲区 实现稍有不同，管道的环形缓冲区 其读指针是由 pipe_inode_info 对象的 curbuf 字段与 pipe_buffer 对象的 offset 字段组合而成：

• pipe_inode_info 对象的 curbuf 字段表示读操作要从 bufs 数组的哪个 pipe_buffer 中读取数据。
• pipe_buffer 对象的 offset 字段表示读操作要从内存页的哪个位置开始读取数据。

读取数据的过程如下图所示：

从缓冲区中读取到 n 个字节的数据后，会相应移动读指针 n 个字节的位置（也就是增加 pipe_buffer 对象的 offset 字段），并且减少 n 个字节的可读数据长度（也就是减少 pipe_buffer 对象的 len 字段）。

当 pipe_buffer 对象的 len 字段变为 0 时，表示当前 pipe_buffer 没有可读数据，那么将会对 pipe_inode_info 对象的 curbuf 字段移动一个位置，并且其 nrbufs 字段进行减一操作。

我们来看看管道读操作的代码实现，读操作由 pipe_read 函数完成。为了突出重点，我们只列出关键代码，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. 获取管道对象
    pipe = inode->i_pipe;

    for (;;) {
        // 2. 获取管道未读数据占有多少个内存页
        int bufs = pipe->nrbufs;

        if (bufs) {
            // 3. 获取读操作应该从环形缓冲区的哪个内存页处读取数据
            int curbuf = pipe->curbuf;  
            struct pipe_buffer *buf = pipe->bufs + curbuf;
            ...

            /* 4. 通过 pipe_buffer 的 offset 字段获取真正的读指针,
             *    并且从管道中读取数据到用户缓冲区.
             */
            error = pipe_iov_copy_to_user(iov, addr + buf->offset, chars, atomic);
            ...

            ret += chars;
            buf->offset += chars; // 增加 pipe_buffer 对象的 offset 字段的值
            buf->len -= chars;    // 减少 pipe_buffer 对象的 len 字段的值

            /* 5. 如果当前内存页的数据已经被读取完毕 */
            if (!buf->len) {
                ...
                curbuf = (curbuf + 1) & (PIPE_BUFFERS - 1);
                pipe->curbuf = curbuf; // 移动 pipe_inode_info 对象的 curbuf 指针
                pipe->nrbufs = --bufs; // 减少 pipe_inode_info 对象的 nrbufs 字段
                do_wakeup = 1;
            }

            total_len -= chars;

            // 6. 如果读取到用户期望的数据长度, 退出循环
            if (!total_len)
                break;
        }
        ...
    }

    ...
    return ret;
}

上面代码总结来说分为以下步骤：

• 通过文件 inode 对象来获取到管道的 pipe_inode_info 对象。
• 通过 pipe_inode_info 对象的 nrbufs 字段获取管道未读数据占有多少个内存页。
• 通过 pipe_inode_info 对象的 curbuf 字段获取读操作应该从环形缓冲区的哪个内存页处读取数据。
• 通过 pipe_buffer 对象的 offset 字段获取真正的读指针， 并且从管道中读取数据到用户缓冲区。
• 如果当前内存页的数据已经被读取完毕，那么移动 pipe_inode_info 对象的 curbuf 指针，并且减少其 nrbufs 字段的值。
• 如果读取到用户期望的数据长度，退出循环。

4. 写操作

分析完管道读操作的实现后，接下来，我们分析一下管道写操作的实现。

经典的环形缓冲区 写入数据时，首先通过写指针进行定位要写入的内存地址，然后判断环形缓冲区的空间是否足够，足够就把数据写入到环形缓冲区中。如下图所示：

但 管道的环形缓冲区 并没有保存 写指针，而是通过 读指针 计算出来。那么怎么通过读指针计算出写指针呢？

其实很简单，就是：

写指针 = 读指针 + 未读数据长度

下面我们来看看，向管道写入 200 字节数据的过程示意图，如下所示：

如上图所示，向管道写入数据时：

• 首先通过 pipe_inode_info 的 curbuf 字段和 nrbufs 字段来定位到，应该向哪个 pipe_buffer 写入数据。

• 然后再通过 pipe_buffer 对象的 offset 字段和 len 字段来定位到，应该写入到内存页的哪个位置。

下面我们通过源码来分析，写操作是怎么实现的，代码如下（为了特出重点，代码有所删减）：

static ssize_t
pipe_write(struct kiocb *iocb, const struct iovec *_iov, unsigned long nr_segs,
           loff_t ppos)
{
    ...
    struct pipe_inode_info *pipe;
    ...
    pipe = inode->i_pipe;
    ...
    chars = total_len & (PAGE_SIZE - 1); /* size of the last buffer */

    // 1. 如果最后写入的 pipe_buffer 还有空闲的空间
    if (pipe->nrbufs && chars != 0) {
        // 获取写入数据的位置
        int lastbuf = (pipe->curbuf + pipe->nrbufs - 1) & (PIPE_BUFFERS-1);
        struct pipe_buffer *buf = pipe->bufs + lastbuf;
        const struct pipe_buf_operations *ops = buf->ops;
        int offset = buf->offset + buf->len;

        if (ops->can_merge && offset + chars <= PAGE_SIZE) {
            ...
            error = pipe_iov_copy_from_user(offset + addr, iov, chars, atomic);
            ...
            buf->len += chars;
            total_len -= chars;
            ret = chars;

            // 如果要写入的数据已经全部写入成功, 退出循环
            if (!total_len)
                goto out;
        }
    }

    // 2. 如果最后写入的 pipe_buffer 空闲空间不足, 那么申请一个新的内存页来存储数据
    for (;;) {
        int bufs;
        ...
        bufs = pipe->nrbufs;

        if (bufs < PIPE_BUFFERS) {
            int newbuf = (pipe->curbuf + bufs) & (PIPE_BUFFERS-1);
            struct pipe_buffer *buf = pipe->bufs + newbuf;
            ...

            // 申请一个新的内存页
            if (!page) {
                page = alloc_page(GFP_HIGHUSER);
                ...
            }
            ...
            error = pipe_iov_copy_from_user(src, iov, chars, atomic);
            ...
            ret += chars;

            buf->page = page;
            buf->ops = &anon_pipe_buf_ops;
            buf->offset = 0;
            buf->len = chars;

            pipe->nrbufs = ++bufs;
            pipe->tmp_page = NULL;

            // 如果要写入的数据已经全部写入成功, 退出循环
            total_len -= chars;
            if (!total_len)
                break;
        }
        ...
    }

out:
    ...
    return ret;
}

上面代码有点长，但是逻辑却很简单，主要进行如下操作：

• 如果上次写操作写入的 pipe_buffer 还有空闲的空间，那么就将数据写入到此 pipe_buffer 中，并且增加其 len 字段的值。
• 如果上次写操作写入的 pipe_buffer 没有足够的空闲空间，那么就新申请一个内存页，并且把数据保存到新的内存页中，并且增加 pipe_inode_info 的 nrbufs 字段的值。
• 如果写入的数据已经全部写入成功，那么就退出写操作。

三、思考一下

管道读写操作的实现已经分析完毕，现在我们来思考一下以下问题。

1. 为什么父子进程可以通过管道来通信？

这是因为父子进程通过 pipe 系统调用打开的管道，在内核空间中指向同一个管道对象（pipe_inode_info）。所以父子进程共享着同一个管道对象，那么就可以通过这个共享的管道对象进行通信。

2. 为什么内核要使用 16 个内存页进行数据存储？

这是为了减少内存使用。

因为使用 pipe 系统调用打开管道时，并没有立刻申请内存页，而是当有进程向管道写入数据时，才会按需申请内存页。当内存页的数据被读取完后，内核会将此内存页回收，来减少管道对内存的使用。

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