39-39-管道：项目组A完成了，如何交接给项目组B？

在这一章的第一节里，我们大致讲了管道的使用方式以及相应的命令行。这一节，我们就具体来看一下管道是如何实现的。

我们先来看，我们常用的匿名管道（Anonymous Pipes），也即将多个命令串起来的竖线，背后的原理到底是什么。

上次我们说，它是基于管道的，那管道如何创建呢？管道的创建，需要通过下面这个系统调用。

int pipe(int fd[2])

在这里，我们创建了一个管道pipe，返回了两个文件描述符，这表示管道的两端，一个是管道的读取端描述符fd[0]，另一个是管道的写入端描述符fd[1]。

我们来看在内核里面是如何实现的。

SYSCALL_DEFINE1(pipe, int __user *, fildes)
{
    return sys_pipe2(fildes, 0);
}

SYSCALL_DEFINE2(pipe2, int __user *, fildes, int, flags)
{
    struct file *files[2];
    int fd[2];
    int error;

    error = __do_pipe_flags(fd, files, flags);
    if (!error) {
        if (unlikely(copy_to_user(fildes, fd, sizeof(fd)))) {
......
            error = -EFAULT;
        } else {
            fd_install(fd[0], files[0]);
            fd_install(fd[1], files[1]);
        }
    }
    return error;
}

在内核中，主要的逻辑在pipe2系统调用中。这里面要创建一个数组files，用来存放管道的两端的打开文件，另一个数组fd存放管道的两端的文件描述符。如果调用__do_pipe_flags没有错误，那就调用fd_install，将两个fd和两个struct file关联起来。这一点和打开一个文件的过程很像了。

我们来看__do_pipe_flags。这里面调用了create_pipe_files，然后生成了两个fd。从这里可以看出，fd[0]是用于读的，fd[1]是用于写的。

static int __do_pipe_flags(int *fd, struct file **files, int flags)
{
    int error;
    int fdw, fdr;
......
    error = create_pipe_files(files, flags);
......
    error = get_unused_fd_flags(flags);
......
    fdr = error;

    error = get_unused_fd_flags(flags);
......
    fdw = error;

    fd[0] = fdr;
    fd[1] = fdw;
    return 0;
......
}

创建一个管道，大部分的逻辑其实都是在create_pipe_files函数里面实现的。这一章第一节的时候，我们说过，命名管道是创建在文件系统上的。从这里我们可以看出，匿名管道，也是创建在文件系统上的，只不过是一种特殊的文件系统，创建一个特殊的文件，对应一个特殊的inode，就是这里面的get_pipe_inode。

int create_pipe_files(struct file **res, int flags)
{
    int err;
    struct inode *inode = get_pipe_inode();
    struct file *f;
    struct path path;
......
    path.dentry = d_alloc_pseudo(pipe_mnt->mnt_sb, &empty_name);
......
    path.mnt = mntget(pipe_mnt);

    d_instantiate(path.dentry, inode);

    f = alloc_file(&path, FMODE_WRITE, &pipefifo_fops);
......
    f->f_flags = O_WRONLY | (flags & (O_NONBLOCK | O_DIRECT));
    f->private_data = inode->i_pipe;

    res[0] = alloc_file(&path, FMODE_READ, &pipefifo_fops);
......
    path_get(&path);
    res[0]->private_data = inode->i_pipe;
    res[0]->f_flags = O_RDONLY | (flags & O_NONBLOCK);
    res[1] = f;
    return 0;
......
}

从get_pipe_inode的实现，我们可以看出，匿名管道来自一个特殊的文件系统pipefs。这个文件系统被挂载后，我们就得到了struct vfsmount *pipe_mnt。然后挂载的文件系统的superblock就变成了：pipe_mnt->mnt_sb。如果你对文件系统的操作还不熟悉，要返回去复习一下文件系统那一章啊。

static struct file_system_type pipe_fs_type = {
    .name       = "pipefs",
    .mount      = pipefs_mount,
    .kill_sb    = kill_anon_super,
};

static int __init init_pipe_fs(void)
{
    int err = register_filesystem(&pipe_fs_type);

    if (!err) {
        pipe_mnt = kern_mount(&pipe_fs_type);
    }
......
}

static struct inode * get_pipe_inode(void)
{
    struct inode *inode = new_inode_pseudo(pipe_mnt->mnt_sb);
    struct pipe_inode_info *pipe;
......
    inode->i_ino = get_next_ino();

    pipe = alloc_pipe_info();
......
    inode->i_pipe = pipe;
    pipe->files = 2;
    pipe->readers = pipe->writers = 1;
    inode->i_fop = &pipefifo_fops;
    inode->i_state = I_DIRTY;
    inode->i_mode = S_IFIFO | S_IRUSR | S_IWUSR;
    inode->i_uid = current_fsuid();
    inode->i_gid = current_fsgid();
    inode->i_atime = inode->i_mtime = inode->i_ctime = current_time(inode);

    return inode;
......
}

我们从new_inode_pseudo函数创建一个inode。这里面开始填写Inode的成员，这里和文件系统的很像。这里值得注意的是struct pipe_inode_info，这个结构里面有个成员是struct pipe_buffer *bufs。我们可以知道，所谓的匿名管道，其实就是内核里面的一串缓存。

另外一个需要注意的是pipefifo_fops，将来我们对于文件描述符的操作，在内核里面都是对应这里面的操作。

const struct file_operations pipefifo_fops = {
    .open       = fifo_open,
    .llseek     = no_llseek,
    .read_iter  = pipe_read,
    .write_iter = pipe_write,
    .poll       = pipe_poll,
    .unlocked_ioctl = pipe_ioctl,
    .release    = pipe_release,
    .fasync     = pipe_fasync,
};

我们回到create_pipe_files函数，创建完了inode，还需创建一个dentry和他对应。dentry和inode对应好了，我们就要开始创建struct file对象了。先创建用于写入的，对应的操作为pipefifo_fops；再创建读取的，对应的操作也为pipefifo_fops。然后把private_data设置为pipe_inode_info。这样从struct file这个层级上，就能直接操作底层的读写操作。

至此，一个匿名管道就创建成功了。如果对于fd[1]写入，调用的是pipe_write，向pipe_buffer里面写入数据；如果对于fd[0]的读入，调用的是pipe_read，也就是从pipe_buffer里面读取数据。

但是这个时候，两个文件描述符都是在一个进程里面的，并没有起到进程间通信的作用，怎么样才能使得管道是跨两个进程的呢？还记得创建进程调用的fork吗？在这里面，创建的子进程会复制父进程的struct files_struct，在这里面fd的数组会复制一份，但是fd指向的struct file对于同一个文件还是只有一份，这样就做到了，两个进程各有两个fd指向同一个struct file的模式，两个进程就可以通过各自的fd写入和读取同一个管道文件实现跨进程通信了。

由于管道只能一端写入，另一端读出，所以上面的这种模式会造成混乱，因为父进程和子进程都可以写入，也都可以读出，通常的方法是父进程关闭读取的fd，只保留写入的fd，而子进程关闭写入的fd，只保留读取的fd，如果需要双向通行，则应该创建两个管道。

一个典型的使用管道在父子进程之间的通信代码如下：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  int fds[2];
  if (pipe(fds) == -1)
    perror("pipe error");

  pid_t pid;
  pid = fork();
  if (pid == -1)
    perror("fork error");

  if (pid == 0){
    close(fds[0]);
    char msg[] = "hello world";
    write(fds[1], msg, strlen(msg) + 1);
    close(fds[1]);
    exit(0);
  } else {
    close(fds[1]);
    char msg[128];
    read(fds[0], msg, 128);
    close(fds[0]);
    printf("message : %s\n", msg);
    return 0;
  }
}

到这里，我们仅仅解析了使用管道进行父子进程之间的通信，但是我们在shell里面的不是这样的。在shell里面运行A|B的时候，A进程和B进程都是shell创建出来的子进程，A和B之间不存在父子关系。

不过，有了上面父子进程之间的管道这个基础，实现A和B之间的管道就方便多了。

我们首先从shell创建子进程A，然后在shell和A之间建立一个管道，其中shell保留读取端，A进程保留写入端，然后shell再创建子进程B。这又是一次fork，所以，shell里面保留的读取端的fd也被复制到了子进程B里面。这个时候，相当于shell和B都保留读取端，只要shell主动关闭读取端，就变成了一管道，写入端在A进程，读取端在B进程。

接下来我们要做的事情就是，将这个管道的两端和输入输出关联起来。这就要用到dup2系统调用了。

int dup2(int oldfd, int newfd);

这个系统调用，将老的文件描述符赋值给新的文件描述符，让newfd的值和oldfd一样。

我们还是回忆一下，在files_struct里面，有这样一个表，下标是fd，内容指向一个打开的文件struct file。

struct files_struct {
  struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
}

在这个表里面，前三项是定下来的，其中第零项STDIN_FILENO表示标准输入，第一项STDOUT_FILENO表示标准输出，第三项STDERR_FILENO表示错误输出。

在A进程中，写入端可以做这样的操作：dup2(fd[1],STDOUT_FILENO)，将STDOUT_FILENO（也即第一项）不再指向标准输出，而是指向创建的管道文件，那么以后往标准输出写入的任何东西，都会写入管道文件。

在B进程中，读取端可以做这样的操作，dup2(fd[0],STDIN_FILENO)，将STDIN_FILENO也即第零项不再指向标准输入，而是指向创建的管道文件，那么以后从标准输入读取的任何东西，都来自于管道文件。

至此，我们才将A|B的功能完成。

为了模拟A|B的情况，我们可以将前面的那一段代码，进一步修改成下面这样：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  int fds[2];
  if (pipe(fds) == -1)
    perror("pipe error");

  pid_t pid;
  pid = fork();
  if (pid == -1)
    perror("fork error");

  if (pid == 0){
    dup2(fds[1], STDOUT_FILENO);
    close(fds[1]);
    close(fds[0]);
    execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
  } else {
    dup2(fds[0], STDIN_FILENO);
    close(fds[0]);
    close(fds[1]);
    execlp("grep", "grep", "systemd", NULL);
  }
  
  return 0;
}

接下来，我们来看命名管道。我们在讲命令的时候讲过，命名管道需要事先通过命令mkfifo，进行创建。如果是通过代码创建命名管道，也有一个函数，但是这不是一个系统调用，而是Glibc提供的函数。它的定义如下：

int
mkfifo (const char *path, mode_t mode)
{
  dev_t dev = 0;
  return __xmknod (_MKNOD_VER, path, mode | S_IFIFO, &dev);
}

int
__xmknod (int vers, const char *path, mode_t mode, dev_t *dev)
{
  unsigned long long int k_dev;
......
  /* We must convert the value to dev_t type used by the kernel.  */
  k_dev = (*dev) & ((1ULL << 32) - 1);
......
  return INLINE_SYSCALL (mknodat, 4, AT_FDCWD, path, mode,
                         (unsigned int) k_dev);
}

Glibc的mkfifo函数会调用mknodat系统调用，还记得咱们学字符设备的时候，创建一个字符设备的时候，也是调用的mknod。这里命名管道也是一个设备，因而我们也用mknod。

SYSCALL_DEFINE4(mknodat, int, dfd, const char __user *, filename, umode_t, mode, unsigned, dev)
{
    struct dentry *dentry;
    struct path path;
    unsigned int lookup_flags = 0;
......
retry:
    dentry = user_path_create(dfd, filename, &path, lookup_flags);
......
    switch (mode & S_IFMT) {
......
        case S_IFIFO: case S_IFSOCK:
            error = vfs_mknod(path.dentry->d_inode,dentry,mode,0);
            break;
    }
......
}

对于mknod的解析，我们在字符设备那一节已经解析过了，先是通过user_path_create对于这个管道文件创建一个dentry，然后因为是S_IFIFO，所以调用vfs_mknod。由于这个管道文件是创建在一个普通文件系统上的，假设是在ext4文件上，于是vfs_mknod会调用ext4_dir_inode_operations的mknod，也即会调用ext4_mknod。

const struct inode_operations ext4_dir_inode_operations = {
......
    .mknod      = ext4_mknod,
......
};

static int ext4_mknod(struct inode *dir, struct dentry *dentry,
              umode_t mode, dev_t rdev)
{
    handle_t *handle;
    struct inode *inode;
......
    inode = ext4_new_inode_start_handle(dir, mode, &dentry->d_name, 0,
                        NULL, EXT4_HT_DIR, credits);
    handle = ext4_journal_current_handle();
    if (!IS_ERR(inode)) {
        init_special_inode(inode, inode->i_mode, rdev);
        inode->i_op = &ext4_special_inode_operations;
        err = ext4_add_nondir(handle, dentry, inode);
        if (!err && IS_DIRSYNC(dir))
            ext4_handle_sync(handle);
    }
    if (handle)
        ext4_journal_stop(handle);
......
}

#define ext4_new_inode_start_handle(dir, mode, qstr, goal, owner, \
                    type, nblocks)          \
    __ext4_new_inode(NULL, (dir), (mode), (qstr), (goal), (owner), \
             0, (type), __LINE__, (nblocks))

void init_special_inode(struct inode *inode, umode_t mode, dev_t rdev)
{
    inode->i_mode = mode;
    if (S_ISCHR(mode)) {
        inode->i_fop = &def_chr_fops;
        inode->i_rdev = rdev;
    } else if (S_ISBLK(mode)) {
        inode->i_fop = &def_blk_fops;
        inode->i_rdev = rdev;
    } else if (S_ISFIFO(mode))
        inode->i_fop = &pipefifo_fops;
    else if (S_ISSOCK(mode))
        ;   /* leave it no_open_fops */
    else
......
}

在ext4_mknod中，ext4_new_inode_start_handle会调用__ext4_new_inode，在ext4文件系统上真的创建一个文件，但是会调用init_special_inode，创建一个内存中特殊的inode，这个函数我们在字符设备文件中也遇到过，只不过当时inode的i_fop指向的是def_chr_fops，这次换成管道文件了，inode的i_fop变成指向pipefifo_fops，这一点和匿名管道是一样的。

这样，管道文件就创建完毕了。

接下来，要打开这个管道文件，我们还是会调用文件系统的open函数。还是沿着文件系统的调用方式，一路调用到pipefifo_fops的open函数，也就是fifo_open。

static int fifo_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    struct pipe_inode_info *pipe;
    bool is_pipe = inode->i_sb->s_magic == PIPEFS_MAGIC;
    int ret;
    filp->f_version = 0;

    if (inode->i_pipe) {
        pipe = inode->i_pipe;
        pipe->files++;
    } else {
        pipe = alloc_pipe_info();
        pipe->files = 1;
        inode->i_pipe = pipe;
        spin_unlock(&inode->i_lock);
    }
    filp->private_data = pipe;
    filp->f_mode &= (FMODE_READ | FMODE_WRITE);

    switch (filp->f_mode) {
    case FMODE_READ:
        pipe->r_counter++;
        if (pipe->readers++ == 0)
            wake_up_partner(pipe);
        if (!is_pipe && !pipe->writers) {
            if ((filp->f_flags & O_NONBLOCK)) {
            filp->f_version = pipe->w_counter;
            } else {
                if (wait_for_partner(pipe, &pipe->w_counter))
                    goto err_rd;
            }
        }
        break;
    case FMODE_WRITE:
        pipe->w_counter++;
        if (!pipe->writers++)
            wake_up_partner(pipe);
        if (!is_pipe && !pipe->readers) {
            if (wait_for_partner(pipe, &pipe->r_counter))
                goto err_wr;
        }
        break;
    case FMODE_READ | FMODE_WRITE:
        pipe->readers++;
        pipe->writers++;
        pipe->r_counter++;
        pipe->w_counter++;
        if (pipe->readers == 1 || pipe->writers == 1)
            wake_up_partner(pipe);
        break;
......
    }
......
}

在fifo_open里面，创建pipe_inode_info，这一点和匿名管道也是一样的。这个结构里面有个成员是struct pipe_buffer *bufs。我们可以知道，所谓的命名管道，其实是也是内核里面的一串缓存。

接下来，对于命名管道的写入，我们还是会调用pipefifo_fops的pipe_write函数，向pipe_buffer里面写入数据。对于命名管道的读入，我们还是会调用pipefifo_fops的pipe_read，也就是从pipe_buffer里面读取数据。

总结时刻

无论是匿名管道，还是命名管道，在内核都是一个文件。只要是文件就要有一个inode。这里我们又用到了特殊inode、字符设备、块设备，其实都是这种特殊的inode。

在这种特殊的inode里面，file_operations指向管道特殊的pipefifo_fops，这个inode对应内存里面的缓存。

当我们用文件的open函数打开这个管道设备文件的时候，会调用pipefifo_fops里面的方法创建struct file结构，他的inode指向特殊的inode，也对应内存里面的缓存，file_operations也指向管道特殊的pipefifo_fops。

写入一个pipe就是从struct file结构找到缓存写入，读取一个pipe就是从struct file结构找到缓存读出。

课堂练习

上面创建匿名管道的程序，你一定要运行一下，然后试着通过strace查看自己写的程序的系统调用，以及直接在命令行使用匿名管道的系统调用，做一个比较。

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