本文转载自微信公众号「Linux内核那些事」，作者songsong001 。转载本文请联系Linux内核那些事公众号。
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。
