xv6——文件系统：管道机制
作者：殷某人
更新时间：2022/07/10
管道机制
管道可以看到双端队列，一头读，一头写，如下图所示：
在xv6系统中，使用一块内存缓存块实现管道机制：
管道可以看作为特殊的文件， 通过文件的api对管道进行读写操作， 通过下面文件结构定义就可以看出来：
struct file {
enum { FD_NONE, FD_PIPE, FD_INODE } type;
int ref;
char readable;
char writable;
struct pipe *pipe; // 文件类型为管道时，对应的pipe。
struct inode *ip;
uint off;
};
数据结构定义
pipe的结构
- 特别说明，管道在内存是对应了一个512字节的缓存块， 使用nread和nwrite表示下一个要读取或写入的位置。真正使用nread和nwrite时，会对PIPESIZE取模操作的。
- nread和nwrite会一直累加，由于它们是无符号类型，加到最大值是会自动进行翻转为0.
struct pipe {
struct spinlock lock;
char data[PIPESIZE];
uint nread; // number of bytes read, 等价于下一个要读取的位置。注意，类型为无符号类型，达到最大值时自动反转。
uint nwrite; // number of bytes written, 等价于下一下要写入的位置。类型为无符号类型。
int readopen; // read fd is still open, 读该管道的进程数
int writeopen; // write fd is still open, 写该管道的进程数
};
函数实现
申请创建一个管道
- 创建一个管道时会对应创建两个文件对象，一个用于管道的读操作，一个用于管道的写操作。
- 管道占用的内存块，是通过kalloc函数申请的。
int
pipealloc(struct file **f0, struct file **f1)
{
struct pipe *p;
p = 0;
*f0 = *f1 = 0;
if((*f0 = filealloc()) == 0 || (*f1 = filealloc()) == 0)
goto bad;
if((p = (struct pipe*)kalloc()) == 0)
goto bad;
p->readopen = 1;
p->writeopen = 1;
p->nwrite = 0;
p->nread = 0;
initlock(&p->lock, "pipe");
(*f0)->type = FD_PIPE;
(*f0)->readable = 1;
(*f0)->writable = 0;
(*f0)->pipe = p;
(*f1)->type = FD_PIPE;
(*f1)->readable = 0;
(*f1)->writable = 1;
(*f1)->pipe = p;
return 0;
//PAGEBREAK: 20
bad:
if(p)
kfree((char*)p);
if(*f0)
fileclose(*f0);
if(*f1)
fileclose(*f1);
return -1;
}
关闭管道的读端/写端
void
pipeclose(struct pipe *p, int writable)
{
acquire(&p->lock);
if(writable){
p->writeopen = 0;
wakeup(&p->nread);
} else {
p->readopen = 0;
wakeup(&p->nwrite);
}
if(p->readopen == 0 && p->writeopen == 0){
release(&p->lock);
kfree((char*)p);
} else
release(&p->lock);
}
读管道操作
- 如果管道为空时，会进入睡眠操作，等待写管道的进程唤醒它。
- 如果指定读取n个字节，当读取不足n个字节时管道为空了，函数也会返回。
int
piperead(struct pipe *p, char *addr, int n)
{
int i;
acquire(&p->lock);
while(p->nread == p->nwrite && p->writeopen){ //DOC: pipe-empty
if(myproc()->killed){
release(&p->lock);
return -1;
}
sleep(&p->nread, &p->lock); //DOC: piperead-sleep
}
for(i = 0; i < n; i++){ //DOC: piperead-copy
if(p->nread == p->nwrite)
break;
addr[i] = p->data[p->nread++ % PIPESIZE];
}
wakeup(&p->nwrite); //DOC: piperead-wakeup
release(&p->lock);
return i;
}
写管道操作
- 管道满时，在进入睡眠操作，等待读管道的进程唤醒它。
- 如果指定写入n个字节，只有n个字节全部写入成功时，函数都会返回。
int
pipewrite(struct pipe *p, char *addr, int n)
{
int i;
acquire(&p->lock);
for(i = 0; i < n; i++){
while(p->nwrite == p->nread + PIPESIZE){ //DOC: pipewrite-full
if(p->readopen == 0 || myproc()->killed){
release(&p->lock);
return -1;
}
wakeup(&p->nread);
sleep(&p->nwrite, &p->lock); //DOC: pipewrite-sleep
}
p->data[p->nwrite++ % PIPESIZE] = addr[i];
}
wakeup(&p->nread); //DOC: pipewrite-wakeup1
release(&p->lock);
return n;
}
