深刻理解Linux进程间通信（IPC）

序

Linux下的进程通信手段基本上是从Unix平台上的进程通信手段继承而来的。而对Unix发展做出重大贡献的两大主力AT&T的贝尔实验室及
BSD（加州大学伯克利分校的伯克利软件发布中心）在进程间通信方面的侧重点有所不同。前者对Unix早期的进程间通信手段进行了系统的改进和扩充，形成
了“system V
IPC”，通信进程局限在单个计算机内；后者则跳过了该限制，形成了基于套接口（socket）的进程间通信机制。Linux则把两者继承了下来，如图
示：



其中，最初Unix IPC包括：管道、FIFO、信号；System V IPC包括：System V消息队列、System V信号灯、System V共享内存区；Posix IPC包括：

Posix消息队列、Posix信号灯、Posix共享内存区。有两点需要简单说明一下：1）由于Unix版本的多样性，电子电气工程协会（IEEE）开
发了一个独立的Unix标准，这个新的ANSI
Unix标准被称为计算机环境的可移植性操作系统界面（PSOIX）。现有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX标准的，而Linux从一开始就遵
循POSIX标准；2）BSD并不是没有涉足单机内的进程间通信（socket本身就可以用于单机内的进程间通信）。事实上，很多Unix版本的单机
IPC留有BSD的痕迹，如4.4BSD支持的匿名内存映射、4.3+BSD对可靠信号语义的实现等等。

图一给出了Linux所支持的各种IPC手段，在本文接下来的讨论中，为了避免概念上的混淆，在尽可能少提及Unix的各个版本的情况下，所有问题的讨论
最终都会归结到Linux环境下的进程间通信上来。并且，对于Linux所支持通信手段的不同实现版本（如对于共享内存来说，有Posix共享内存区以及
System V共享内存区两个实现版本），将主要介绍Posix API。

Linux下进程间通信的几种主要手段简介：

1.管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；

2.信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本
身；Linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于
BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数）；

报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列systemV消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消
息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。

信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。

套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

下面将对上述通信机制做具体阐述。

附1：参考文献[2]中对Linux环境下的进程进行了概括说明：

一般来说，Linux下的进程包含以下几个关键要素：

1.有一段可执行程序；

2.有专用的系统堆栈空间；

3.内核中有它的控制块（进程控制块），描述进程所占用的资源，这样，进程才能接受内核的调度；

4.具有独立的存储空间

5.进程和线程有时候并不完全区分，而往往根据上下文理解其含义。

参考文献：

1.UNIX环境高级编程，作者：W.Richard
Stevens，译者：尤晋元等，机械工业出版社。具有丰富的编程实例，以及关键函数伴随Unix的发展历程。
Linux内核源代码情景分析（上、下），毛德操、胡希明著，浙江大学出版社，提供了对Linux内核非常好的分析，同时，对一些关键概念的背景进行了详
细的说明。

2.UNIX网络编程第二卷：进程间通信，作者：W.Richard Stevens，译者：杨继张，清华大学出版社。一本比较全面阐述Unix环境下进程间通信的书（没有信号和套接口，套接口在第一卷中）。

Linux环境进程间通信 ——无名管道工作机制研究

一、引言


Linux作为一个开源的操作系统，是我们进行操作系统和提高编程水平的最佳途径之一。

好的程序如同好的音乐一样，完成的完美、巧妙。开放源码的程序都是经过无数人检验地，本文将以linux-kernel-2.6.5为例对pipe的工作机制进行阐述。

二、进程间通信的分类

大型程序大多会涉及到某种形式的进程间通信，一个较大型的应用程序设计成可以相互通信的“碎片”，从而就把一个任务分到多个进程中去。进程间通信的方法有三种方式：

管道（pipe）

套接字（socket）

System v IPC 机制

管
道机制在UNIX开发的早期就已经提供了，它在本机上的两个进程间的数据传递表现的相当出色；套接字是在BSD（Berkeley Software
Development）中出现的，现在的应用也相当的广泛；而System V IPC机制Unix System V 版本中出现的。

三、工作机制

管
道分为pipe（无名管道）和FIFO（ 命名管道），它们都是通过内核缓冲区按先进先出的方式数据传输，管道一端顺序地写入数据，另一端顺序地读
入数据读写的位置都是自动增加，数据只读一次，之后就被释放。在缓冲区写满时，则由相应的规则控制读写进程进入等待队列，当空的缓冲区有写入数据或满的缓
冲区有数据读出时，就唤醒等待队列中的写进程继续读写。

管道的读写规则：

管道两端可分别用描述字fd[0]以及
fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字
fd[1]来表示，称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道，如
close、read、write等等。

四、pipe的数据结构

首先要定义一个文件系统类型：pipe_fs_type。

fs/pipe.c

static struct file_system_type pipe_fs_type = {

.name = "pipefs",

.get_sb = pipefs_get_sb,

.kill_sb = kill_anon_super,

};

变量pipe_fs_type其类型是 struct file_system_type 用于向系统注册文件系统。

Pipe
以类似文件的方式与进程交互，但在磁盘上无对应节点，因此效率较高。Pipe主要包括一个inode和两个file结构——分别用于读和写。Pipe的缓
冲区首地址就存放在inode的i_pipe域指向pipe_inode_info结构中。但是要注意pipe的inode并没有磁盘上的映象，只在内存
中交换数据。

static struct super_block *pipefs_get_sb(struct file_system_type *fs_type,

int flags, const char *dev_name, void *data)

{

return get_sb_pseudo(fs_type, "pipe:", NULL, PIPEFS_MAGIC);

}

上为超级的生成函数。

Include/linux/pipe.h

#ifndef _LINUX_PIPE_FS_I_H

#define _LINUX_PIPE_FS_I_H

#define PIPEFS_MAGIC 0x50495045

struct pipe_inode_info {

wait_queue_head_t wait; 1

char *base; 2

unsigned int len; 3

unsigned int start; 4

unsigned int readers; 5

unsigned int writers; 6

unsigned int waiting_writers; 7

unsigned int r_counter; 8

unsigned int w_counter; 9

struct fasync_struct *fasync_readers; 10

struct fasync_struct *fasync_writers; 11

};

2 管道等待队列指针wait

3 内核缓冲区基地址base

4 缓冲区当前数据量

6 管道的读者数据量

7 管道的写者数据量

8 等待队列的读者个数

9 等待队列的写者个数

11、12 主要对 FIFO

五、管道的创建:

通过pipe系统调用来创建管道。

int do_pipe(int *fd)

{

struct qstr this;

char name[32];

struct dentry *dentry;

struct inode * inode;

struct file *f1, *f2;

int error;

int i,j;

error = -ENFILE;

f1 = get_empty_filp(); //分配文件对象，得到文件对象指针用于读管道

if (!f1)

goto no_files;

f2 = get_empty_filp(); //分配文件对象，得到文件对象指针用于读管道

if (!f2)

goto close_f1;

inode = get_pipe_inode(); //调用get_pipe_inode获得管道类型的索引节点

if (!inode) 的指针inode。

goto close_f12;

error = get_unused_fd(); //获得当前进程的两个文件描述符。在当前的

if (error < 0) 进程的进程描述符file域中，有一个fd 域，

goto close_f12_inode; //指向该进程当前打开文件指针数组，数组

i=error; 元素是指向文件对象的指针。

error = get_unused_fd();

if (error < 0)

goto close_f12_inode_i;

j = error;

error = -ENOMEM;

sprintf(name, "[%lu]", inode->i_ino); //生成对象目录dentry，

this.name = name; 并通过它将上述两个文

this.len = strlen(name); 件对象将的指针与管道

this.hash = inode->i_ino; /* will go */ 索引节点连接起来。

dentry = d_alloc(pipe_mnt->mnt_sb->s_root, &this);

if (!dentry)

goto close_f12_inode_i_j;

dentry->d_op = &pipefs_dentry_operations;

d_add(dentry, inode);

f1->f_vfsmnt = f2->f_vfsmnt = mntget(mntget(pipe_mnt));

f1->f_dentry = f2->f_dentry = dget(dentry);

f1->f_mapping = f2->f_mapping = inode->i_mapping;

/* read file */

f1->f_pos = f2->f_pos = 0; //为用于读的两个文件对象设置属性值

f1->f_flags = O_RDONLY; f_flage设置为只读，f_op设置为

f1->f_op = &read_pipe_fops; read_pipe_fops 结构的地址。

f1->f_mode = 1;

f1->f_version = 0;

/* write file */ //为用于写的两个文件对象设置属性值

f2->f_flags = O_WRONLY; f_flage设置为只写，f_op设置为

write_pipe_fops 结构的地址。

f2->f_op = &write_pipe_fops;

f2->f_mode = 2;

f2->f_version = 0;

fd_install(i, f1);

fd_install(j, f2);

fd[0] = i; //将两个文件描述符放入参数fd数组返回

fd[1] = j;

return 0;

close_f12_inode_i_j:

put_unused_fd(j);

close_f12_inode_i:

put_unused_fd(i);

close_f12_inode:

free_page((unsigned long) PIPE_BASE(*inode));

kfree(inode->i_pipe);

inode->i_pipe = NULL;

iput(inode);

close_f12:

put_filp(f2);

close_f1:

put_filp(f1);

no_files:

return error;

}

六、管道的释放

管道释放时f-op的release域在读管道和写管道中分别指向pipe_read_release()和pipe_write_release()。而这两个函数都调用release（），并决定是否释放pipe的内存页面或唤醒该管道等待队列的进程。

以下为管道释放的代码：

static int pipe_release(struct inode *inode, int decr, int decw)

{ down(PIPE_SEM(*inode));

PIPE_READERS(*inode) -= decr;

PIPE_WRITERS(*inode) -= decw;

if (!PIPE_READERS(*inode) && !PIPE_WRITERS(*inode)) {

struct pipe_inode_info *info = inode->i_pipe;

inode->i_pipe = NULL;

free_page((unsigned long) info->base);

kfree(info);

} else { wake_up_interruptible(PIPE_WAIT(*inode));

kill_fasync(PIPE_FASYNC_READERS(*inode), SIGIO, POLL_IN);

kill_fasync(PIPE_FASYNC_WRITERS(*inode), SIGIO, POLL_OUT); }

up(PIPE_SEM(*inode));

return 0;}

七、管道的读写

1．从管道中读取数据：

如果管道的写端不存在，则认为已经读到了数据的末尾，读函数返回的读出字节数为0；

当
管道的写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF，则返回管道中现有的数据字节数，如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF，则返回管道中现
有数据字节数（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）。

2．向管道中写入数据：

向管道中写入数据时，linux将不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。

八、管道的局限性

管道的主要局限性正体现在它的特点上：

? 只支持单向数据流；

? 只能用于具有亲缘关系的进程之间；

? 没有名字；

? 管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；

? 管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等。

九、后记

写
完本文之后，发现有部分不足之处。在由于管道读写的代码过于冗长，限于篇幅不一一列出。有不足和错误之处还请各位老师指正。通过一段时间对Linux的内
核代码的学习，开源的程序往往并非由“权威人士”、“享誉海内外的专家”所编写，它们的由一个个普通的程序员写就。但专业造就专家，长时间集中在某个领域
中能够创建出据程序员应该珍视的财富。