从 0 开始学习 Linux 系列之「19.无名管道 Pipe」

无名管道 Pipe

版权声明：本文为 cdeveloper 原创文章，可以随意转载，但必须在明确位置注明出处！

Linux 进程间通信

当系统中有了多个进程时，进程之间的通信就显得格外必要了，进程就相当于现实世界中的人，人跟人之间的交流就相当与进程之间的通信了。Linux 的进程间通信（Inter Process Communication，IPC）主要有 7 种：

1. 无名管道 Pipe
2. 有名管道 Fifo
3. 信号 Signal
4. 消息队列 Message Queue
5. 共享内存 Share Memory
6. 信号量 Semphone
7. 套接字 Socket

这 7 种方式有各自的适用场合。在早期管道和信号是用于单机 IPC 的主要方式，在后来 AT&T 的贝尔实验室在那之上又拓展了一个 System V IPC，其中包含了共享内存，消息队列，信号量这 3 种方法。

之后 BSD（加州大学伯克利分校软件研发中心）开发了套接字用来进行网络通信，从这也可以得出网络通信其实就是不同机器之间的进程相互通信，本质上还是属于进程间的通信，只不过多了一个网络的桥梁而已。这就是整个 IPC 的发展过程，IPC 是 Linux 中的一个非常重要的模块，必须掌握这 7 种方式，这也是面试必问的东西。

这篇文章主要介绍第一种 IPC 的机制：无名管道 Pipe，并且会分析它在 Linux 内核的实现机制，废话不多说，赶紧上车...

什么是无名管道 Pipe？

shell 管道

管道是 UNIX 系统 IPC 的最古老的形式，所有的 UNIX 系统都提供管道机制，如果你使用过 shell 中的管道，应该不会默认，例如：

ps -aux | grep "xxx"

这个意思是将 ps -aux 的输出作为 grep xxx 的输入，通过管道可以将两个进程连接起来，功能非常强大，但是有名管道与 shell 的管道有些区别。

无名管道

有名管道具有下面 3 个特点：

1. 只能用于有亲缘关系（父子进程）的进程间通信
2. 半双工通信方式，具有固定的读写端
3. Pipe 被当作特殊文件来对待（Linux 下一切都是文件）

需要了解下半双工和全双工的区别：

1. 半双工：同一时刻，数据只能往一个方向传输
2. 全双工：同一时刻，数据可以往两个方向传输

有名管道是半双工的，每个时刻一个进程只能读取或者写入，即只能打开读端口或者写端口，不可同时打开。下面的图可以更好地解释在父子进程之间使用管道的模型：

管道模型

这个模型中内核有一个管道的缓冲区，父进程将数据写入管道写端（fd[1]），子进程从管道读端（fd[0]）中读取数据。

例子：test_pipe.c

了解了有名管道的基本原理，下面我们使用 pipe 来创建一个管道，这是 pipe 函数定义：

#include <unistd.h>

/*
 * fd[0]：用于读取
 * fd[1]：用于写入
 * return：成功返回 0, 失败返回 -1，并设置 erron
 */
int pipe(int pipefd[2]);

这个例子中我们在父进程中 fork 了一个子进程，在 fork 之后要做什么取决与我们想要的数据流的方向，这里设置子进程从父进程读取数据，所以需要关闭子进程的写端 fd[1] 和父进程的读端 fd[0]，注意无名管道不能同时读写。

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


int main() {
    int pfd[2];
    int pid;
    int status = 0;

    char w_cont[] = "Hello child, I'm parent!";
    char r_cont[255] = { 0 }; 
    int write_len = strlen(w_cont);
    
    // 创建管道
    if(pipe(pfd) < 0) {
        perror("create pipe failed"); 
        exit(1); 
    } else {
        // 创建子进程
        if((pid = fork()) < 0) {
            perror("create process failed");
    } else if(pid > 0) {
        // 关闭父进程读端
        close(pfd[0]); 
        // 父进程像写端写入数据
        write(pfd[1], w_cont, write_len); 
        close(pfd[1]);
        // 等待子进程结束
        wait(&status);
    } else { 
        sleep(2); 
        // 关闭子进程写端
        close(pfd[1]);
        // 子进程从读端读取数据
        read(pfd[0], r_cont, write_len);
        // 子进程输出读取的数据
        printf("child process read: %s\n", r_cont); 
    }

    return 0 ; 
}

编译运行看看：

gcc test_pipe.c -o test_pipe
./test_pipe
child process read: Hello child, I'm parent!

可以看到子进程成功读取了父进程写入的数据，整个过程一共分为 6 个步骤：

1. 创建管道
2. 创建子进程
3. 父进程关闭读端，向写端写入数据
4. 子进程等待 2s，等父进程写入完毕
5. 子进程关闭写端，从读端读取数据并输出
6. 父进程用 wait 等待子进程结束

这个例子可以很好的解释管道的使用方法：父进程写入，子进程读取，当然你也可以设置子进程写，父进程读，只要改变进程的读写端口和代码逻辑即可，代码参考：test_pipe.c，test_pipe2.c

Pipe 的内核实现

管道的操作比较的简单，为了更好的理解它的原理，我们看看 Linux 内核中的管道是如何实现的，因为不同版本的 Linux 内核中的修改比较大，这里以 Linux-3.4 版本来分析。

Pipe 注册过程

内核的 Pipe 的实现原理大体上如下：Pipe 将内存中一片区域映射到虚拟文件系统 VFS，使得上层应用可以像操作文件那样来操作 Pipe，从而实现 IPC，也就是说 Pipe 是以管道文件系统为基础的，我们来看看 fs/pipe.c 中的 pipe 文件系统的注册过程，实际上就是一个驱动程序：

内核管道机制

这个过程向内核注册了 pipe 的文件系统，这个文件系统也受 VFS 的控制。

Pipe 的调用过程

再来看看管道的调用过程，上层的 pipe 调用一般都对应底层的 sys_pipe 调用，但是随着内核的修改，有些名称会改变，比如 sys_pipe 在 3.4 中就是用宏定义来表示的：

/*
 * fs/pipe.c
 * sys_pipe() is the normal C calling standard for creating
 * a pipe. It's not the way Unix traditionally does this, though.  
 **/
SYSCALL_DEFINE2(pipe2, int __user *, fildes, int, flags)
{
    int fd[2];
    int error;
    
    error = do_pipe_flags(fd, flags);
    if (!error) {
        if (copy_to_user(fildes, fd, sizeof(fd))) {
            sys_close(fd[0]);
            sys_close(fd[1]);
            error = -EFAULT;
        }
    }
    
    return error;
}

这是具体的执行过程：

管道的系统调用过程

这个过程所做的事情主要是向内核申请内存，创建读写描述符，以此建立 pipe 文件。其中比较重要的是 create_write_pipe，这个函数创建一个写管道，在最后调用 kzalloc 向内核申请内存空间：

管道的创建过程

这也印证了 pipe 将内存中一片区域映射成虚拟文件系统以及 Linux 的进程间通信实质上就是 IO 操作这两个概念。

结语

本次，我们了解了 Linux 下进程间通信（IPC）的 7 种方式，并着重学习了第一种方式：无名管道 Pipe。管道是最古老的 IPC 方式，使用起来也比较简单，并且我们也简单分析了内核中对 pipe 的实现过程，知道了 pipe 其实也是以文件 IO 的方式来实现 IPC 的，了解些内核的机制可以让我们对 IPC 有一个更好的理解。

感谢你的阅读，我们下次再见 :)