Linux中的Pipe和FIFO的原理浅析

Stella981
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之前从编程角度写过Linux的Pipe和FIFO,主要侧重于使用,附带了简单的原理介绍。(链接如下)

http://my.oschina.net/u/158589/blog/54705

http://my.oschina.net/u/158589/blog/55051

今天在看Understanding The Linux Kernel时,发现自己对Pipe和FIFO的理解稍显不足,这里简单的对其原理做一些补充。主要采用Question & Answer的形式。

1. 为什么要将FIFO和Pipe放在一起讲?他们间的区别是什么?

原因是他们的核心数据结构是一样的,pipe_inode_info,并且,FIFO的读写函数和pipe的读写函数也一致。

关于区别,以下要稍微讲一下。使用上的区别参见本文开头的两篇博文。

核心区别有两点。

第一,fifo出现在系统目录树中,而pipe则在特殊文件系统pipefs中。

第二,fifo是双向通信管道,而pipe是单向的。

2. Pipe和FIFO有对应的disk image吗?有对应的indoe吗?他们属于同一个文件系统吗?

pipe和fifo都没有对应的disk image。

他们都是文件,所以肯定有inode。同时,当创建一个pipe或者fifo时,实际上是创建了一个inode和两个file object.

pipe属于pipefs文件系统,fifo不是。所以他们不属于同一个文件系统。

值得注意的是以下两点:

第一, pipefs这个特殊的文件系统在VFS的目录中是没有的,用户不可见,它是在kernel初始化时进行创建并且挂载到VFS上的。

第二,虽然fifo在VFS的目录树下,但是它并不对应disk上的文件,有点像device文件。其核心的buffer是kernel中的buffer.

3. ls | more背后发生了什么?

step1: shell创建一个pipe(假设其file descriptor是3和4,这样方便讨论)。

step2: shell fork出两个子进程。此时,这两个子进程同继承了父进程的文件描述符,也就是说,他们同样有3和4.

step3: 第一个子进程调用dup2(4, 1)。这就将1(标准输出)的file object关闭了,并且,1这个文件描述符,此时指向了4文件描述符指向的file object,即pipe的写端。子进程关闭3和4。子进程execve(), 执行ls命令。由于execve也是用的同一个文件描述符表,所以此时ls的输出实际上是pipe的写端。

step4: 第二个子进程调用dup2(3, 0)。如上,0(标准输入)的file object关闭,并且,0这个文件描述符,指向了3这个文件描述符指向的file object,即pipe的读端。子进程关闭3和4. 子进程execve(), 执行more命令。此时,more的输入实际上是pipe的读端。

于是,ls的输出就顺利的重定向到more的输入了。

4. Pipe和FIFO使用的多吗?

Pipe就不用说了,shell中经常用到,实际编程中如果遇到重定向或者父子进程通信,pipe也是一个不错的选择。就我目前看到过的代码而言,shell中pipe使用较多,c中pipe也有用到,但明显没有semaphore,socket等普遍。

FIFO的话,说实话,基本没见过。我认为原因是他能做的,socket也一定能做,并且能做的更好。所以FIFO就有点累赘了。另外,从本文开头的两篇链接中,我们可以看到,FIFO的编程有点麻烦,要对读写进行比较精确的控制,防止死锁或者竞争。

就到这里吧。

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