1、管道（pipe）

管道是進(jìn)程間通信的主要手段之一。一個(gè)管道實(shí)際上就是個(gè)只存在于內(nèi)存中的文件，對這個(gè)文件的操作要通過兩個(gè)已經(jīng)打開文件進(jìn)行，它們分別代表管道的兩端。管道是一種特殊的文件，它不屬于某一種文件系統(tǒng)，而是一種獨(dú)立的文件系統(tǒng)，有其自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)管道的適用范圍將其分為：無名管道和命名管道。

●     無名管道

主要用于父進(jìn)程與子進(jìn)程之間，或者兩個(gè)兄弟進(jìn)程之間。在linux系統(tǒng)中可以通過系統(tǒng)調(diào)用建立起一個(gè)單向的通信管道，且這種關(guān)系只能由父進(jìn)程來建立。因此，每個(gè)管道都是單向的，當(dāng)需要雙向通信時(shí)就需要建立起兩個(gè)管道。管道兩端的進(jìn)程均將該管道看做一個(gè)文件，一個(gè)進(jìn)程負(fù)責(zé)往管道中寫內(nèi)容，而另一個(gè)從管道中讀取。這種傳輸遵循“先入先出”（FIFO）的規(guī)則。

●     命名管道

命名管道是為了解決無名管道只能用于近親進(jìn)程之間通信的缺陷而設(shè)計(jì)的。命名管道是建立在實(shí)際的磁盤介質(zhì)或文件系統(tǒng)（而不是只存在于內(nèi)存中）上有自己 名字的文件，任何進(jìn)程可以在任何時(shí)間通過文件名或路徑名與該文件建立聯(lián)系。為了實(shí)現(xiàn)命名管道，引入了一種新的文件類型——FIFO文件（遵循先進(jìn)先出的原 則）。實(shí)現(xiàn)一個(gè)命名管道實(shí)際上就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)FIFO文件。命名管道一旦建立，之后它的讀、寫以及關(guān)閉操作都與普通管道完全相同。雖然FIFO文件的 inode節(jié)點(diǎn)在磁盤上，但是僅是一個(gè)節(jié)點(diǎn)而已，文件的數(shù)據(jù)還是存在于內(nèi)存緩沖頁面中，和普通管道相同。

2、環(huán)形緩沖區(qū)

每個(gè)管道只有一個(gè)頁面作為緩沖區(qū)，該頁面是按照環(huán)形緩沖區(qū)的方式來使用的。這種訪問方式是典型的“生產(chǎn)者——消費(fèi)者”模型。當(dāng)“生產(chǎn)者”進(jìn)程有大量 的數(shù)據(jù)需要寫時(shí)，而且每當(dāng)寫滿一個(gè)頁面就需要進(jìn)行睡眠等待，等待“消費(fèi)者”從管道中讀走一些數(shù)據(jù)，為其騰出一些空間。相應(yīng)的，如果管道中沒有可讀數(shù)據(jù)， “消費(fèi)者”進(jìn)程就要睡眠等待。

2.1環(huán)形緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)原理

環(huán)形緩沖區(qū)是嵌入式系統(tǒng)中一個(gè)常用的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一般采用數(shù)組形式進(jìn)行存儲，即在內(nèi)存中申請一塊連續(xù)的線性空間，可以在初始化的時(shí)候把存儲空間一 次性分配好。只是要模擬環(huán)形，必須在邏輯上把數(shù)組的頭尾相連接。只要對數(shù)組最后一個(gè)元素進(jìn)行特殊的處理——訪問尾部元素的下一元素時(shí)，重新回到頭部元素。 對于從尾部回到頭部只需模緩沖長度即可（假設(shè)maxlen為環(huán)形緩沖的長度，當(dāng)讀指針read指向尾部元素時(shí)，只需執(zhí)行read=read%maxlen 即可使read回到頭部元素）。

2.2讀寫操作

環(huán)形緩沖區(qū)要維護(hù)寫端（write）和讀端（read）兩個(gè)索引。寫入數(shù)據(jù)時(shí)，必須先確保緩沖區(qū)沒有滿，然后才能將數(shù)據(jù)寫入，最后將write指針 指向下一個(gè)元素；讀取數(shù)據(jù)時(shí)，首先要確保緩沖區(qū)不為空，然后返回read指針對應(yīng)得元素，最后使read指向下一個(gè)元素的位置。讀寫操作偽代碼：

2.3判斷“滿”和“空”

當(dāng)read和write指向同一個(gè)位置時(shí)環(huán)形緩沖區(qū)為空或滿。為了區(qū)別環(huán)滿和空，當(dāng)read和write重疊的時(shí)候環(huán)空；而當(dāng)write比read快，追到距離read還有一個(gè)元素間隔的時(shí)候，就認(rèn)為環(huán)已經(jīng)滿了。環(huán)形緩沖區(qū)原理圖如圖3所示。

3 并發(fā)訪問

考慮到在不同環(huán)境下，任務(wù)可能對環(huán)形緩沖區(qū)的訪問情況不同，需要對并發(fā)訪問的情況進(jìn)行分析。

在單任務(wù)環(huán)境下，只存在一個(gè)讀任務(wù)和一個(gè)寫任務(wù)，只要保證寫任務(wù)可以順利的完成將數(shù)據(jù)寫入，而讀任務(wù)可以及時(shí)的將數(shù)據(jù)讀出即可。如果有競爭發(fā)生，可能會(huì)出現(xiàn)如下情況：

Case1：假如寫任務(wù)在“寫指針加1，指向下一個(gè)可寫空位置”執(zhí)行完成時(shí)被打斷，如圖3所示，此時(shí)寫指針write指向非法位置。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度讀任 務(wù)執(zhí)行時(shí)，如果讀任務(wù)需要讀多個(gè)數(shù)據(jù)，那么不但應(yīng)該讀出的數(shù)據(jù)被讀出，而且當(dāng)讀指針被調(diào)整為0是，會(huì)將以前已經(jīng)讀出的數(shù)據(jù)重復(fù)讀出。

Case2：假設(shè)讀任務(wù)進(jìn)行讀操作，在“讀指針加1”執(zhí)行完時(shí)被打斷，如圖4所示，此時(shí)read所處的位置是非法的。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度寫任務(wù)執(zhí)行時(shí)，如果 寫任務(wù)要寫多個(gè)數(shù)據(jù)，那么當(dāng)寫指針指到尾部時(shí)，本來緩沖區(qū)應(yīng)該為滿狀態(tài)，不能再寫，但是由于讀指針處于非法位置，在讀任務(wù)執(zhí)行前，寫任務(wù)會(huì)任務(wù)緩沖區(qū)為 空，繼續(xù)進(jìn)行寫操作，將覆蓋還沒有來的及讀出的數(shù)據(jù)。

為了避免上述錯(cuò)誤的發(fā)生，必須保證讀寫指針操作是原子性的，讀寫指針的值要么是沒有修改的，要么是修改正確的。可以引入信號量，有效的保護(hù)臨界區(qū)代碼，就可以避免這些問題。在單任務(wù)環(huán)境下，也可以通過采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀苊庑盘柫康氖褂?，從而提高程序的?zhí)行效率。

4.linux內(nèi)核中pipe的讀寫實(shí)現(xiàn)

Linux內(nèi)核中采用struct pipe_inode_info結(jié)構(gòu)體來描述一個(gè)管道。

其中，當(dāng)pipe為空/滿時(shí)，采用等待隊(duì)列，該隊(duì)列使用自旋鎖進(jìn)行保護(hù)。

用struct Pipe_buffer數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述pipe的緩沖（buffer）

本文重點(diǎn)針對pipe實(shí)現(xiàn)中對環(huán)形緩沖區(qū)的操作方法，目的是借鑒學(xué)習(xí)其互斥訪問方法。因此，著重分析pipe_read和pipe_write方法。

●Pipe_read(fs/pipe.c)

訪問pipe對應(yīng)的inode必須獲得相應(yīng)的互斥鎖，防止并發(fā)訪問。

數(shù)據(jù)的讀出放在一個(gè)死循環(huán)中，整個(gè)for循環(huán)中的代碼均屬于臨界區(qū)，需要互斥鎖進(jìn)行保護(hù)。

有以下幾種情況才會(huì)退出：

▲     完成數(shù)據(jù)的讀出；

▲     Pipe沒有writer進(jìn)程

▲     進(jìn)程設(shè)置了O_NONBLOCK標(biāo)志

325行將buffer中的數(shù)據(jù)讀出。完成后，緊接著調(diào)整buffer中指針的位置

其中，348行設(shè)置標(biāo)志，do_wakeup為1，說明buffer中已經(jīng)有空位置可以寫入數(shù)據(jù)，這時(shí)，可以喚醒等待隊(duì)列中的睡眠的寫進(jìn)程。

如果沒有退出，或者成功讀取數(shù)據(jù)，讀進(jìn)程會(huì)主動(dòng)調(diào)用pipe_wait函數(shù)進(jìn)行睡眠等待，直到有writer進(jìn)程寫入數(shù)據(jù)并將其喚醒。

  

當(dāng)進(jìn)程從臨界區(qū)中退出后會(huì)釋放互斥鎖。

最后，為了防止reader進(jìn)程是因?yàn)槭盏叫盘柫慷顺觯俳o睡眠的writer進(jìn)程一次機(jī)會(huì)，檢查do_wakeup，如果為1就喚醒睡眠的writer進(jìn)程。

●     pipe_write(fs/pipe.c)

首先，與pipe_read相同，pipe_write采用互斥鎖對臨界區(qū)進(jìn)行保護(hù)。寫操作也放在死循環(huán)中，退出條件也與read相同。

與pipe_read不同，writer進(jìn)程不總是睡眠等待，在調(diào)用pipe_wait進(jìn)行睡眠后，如果有read進(jìn)程讀走某些數(shù)據(jù)，write進(jìn)程會(huì)隨時(shí)進(jìn)行寫操作。