管道文件系统pipefs
概述
在Linux的世界里，万物皆文件，并且都是通过虚拟文件系统VFS来同一管理调用不同的文件系统，因此Linux中可以通过文件IO系统调用来进行操作。而管道就是一个伪文件系统，其通过pipefs来实现。同其他真正的文件系统（ext3、ext4等）一样，都实现VFS中的四种主要对象：super_block、inode、dentry和文件对象file。当对管道进行读写操作时，VFS就会将请求转发给pipefs，而pipefs则会调用自己特定的一些操作函数。
file_system_type操作表
pipefs是一个文件系统，就会有一个被称为file_system_type的数据结构，在系统启动或者文件系统模块挂载时用于在VFS中进行注册。所有的已注册的文件系统的file_system_type结构形成一个链表，链表头由file_systems变量指定。pipefs的file_system_type操作表如下:
static struct file_system_type pipe_fs_type = { .name = "pipefs", .mount = pipefs_mount, .kill_sb = kill_anon_super, //用于移除特殊文件系统的超级块};3.18内核版本file_system_type结构体中增加了一个mount成员的钩子函数,
struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int, const char *, void *);对于pipefs、sockfs和bdev等伪文件系统调用的该钩子函数实现都是对mount_pseudo函数的封装，该函数主要是根据file_system_type创建一个super_block，并进行一系列的初始化工作，然后根据该超级块和伪文件系统名（pipefs、sockfs和bdev）在内存中分配一个目录项缓存，将其设置为该超级块的根目录的目录项对象，最后返回目录项：
/* * pipefs should _never_ be mounted by userland - too much of security hassle, * no real gain from having the whole whorehouse mounted. So we don't need * any operations on the root directory. However, we need a non-trivial * d_name - pipe: will go nicely and kill the special-casing in procfs. */static struct dentry *pipefs_mount(struct file_system_type *fs_type, int flags, const char *dev_name, void *data){ return mount_pseudo(fs_type, "pipe:", &pipefs_ops, &pipefs_dentry_operations, PIPEFS_MAGIC);}mount_pseudo函数定义如下:
/* * Common helper for pseudo-filesystems (sockfs, pipefs, bdev - stuff that * will never be mountable) * 伪文件系统的常用助手（sockfs，pipefs，bdev - 永远不可安装的东西) */struct dentry *mount_pseudo(struct file_system_type *fs_type, char *name, const struct super_operations *ops, const struct dentry_operations *dops, unsigned long magic){ struct super_block *s; struct dentry *dentry; struct inode *root; struct qstr d_name = QSTR_INIT(name, strlen(name)); s = sget(fs_type, NULL, set_anon_super, MS_NOUSER, NULL); //调用set_anon_super函数初始化特殊文件系统的超级块； if (IS_ERR(s)) return ERR_CAST(s); s->s_maxbytes = MAX_LFS_FILESIZE; s->s_blocksize = PAGE_SIZE; s->s_blocksize_bits = PAGE_SHIFT; s->s_magic = magic; s->s_op = ops ? ops : &simple_super_operations; s->s_time_gran = 1; root = new_inode(s); if (!root) goto Enomem; /* * since this is the first inode, make it number 1. New inodes created * after this must take care not to collide with it (by passing * max_reserved of 1 to iunique). */ root->i_ino = 1; root->i_mode = S_IFDIR | S_IRUSR | S_IWUSR; root->i_atime = root->i_mtime = root->i_ctime = CURRENT_TIME; //__d_alloc函数分配一个目录项缓存dcache的入口目录，没有足够内存，则返回NULL，分配成功，则返回一个dentry结构体 dentry = __d_alloc(s, &d_name); if (!dentry) { iput(root); goto Enomem; } d_instantiate(dentry, root); s->s_root = dentry; //设置pipefs文件系统根目录的目录项对象，目录项对象操作表 s->s_d_op = dops; s->s_flags |= MS_ACTIVE; return dget(s->s_root); //增加该dentry的引用计数，并返回 Enomem: deactivate_locked_super(s); return ERR_PTR(-ENOMEM);}管道文件系统比较简单，只是一个存在于内存中的文件，因而管道文件系统的超级块操作表比较简单，只定义了两个操作函数，free_inode_nonrcu用于释放inode对象；simple_statfs用于获取pipefs文件系统的状态信息
static const struct super_operations pipefs_ops = { .destroy_inode = free_inode_nonrcu, //用于释放inode对象 .statfs = simple_statfs, //用于获取pipefs文件系统的状态信息};pipefs初始化
接下来看看pipefs文件系统的初始化，主要是进行pipefs的注册，并进行pipefs伪文件系统的装载（没有挂载点）。
static int __init init_pipe_fs(void){ int err = register_filesystem(&pipe_fs_type); if (!err) { pipe_mnt = kern_mount(&pipe_fs_type); if (IS_ERR(pipe_mnt)) { err = PTR_ERR(pipe_mnt); unregister_filesystem(&pipe_fs_type); } } return err;} fs_initcall(init_pipe_fs);以上就是pipefs伪文件系统的一个初始化，挂载过程。接下来看下管道文件具体的IO操作过程。
const struct file_operations pipefifo_fops = { .open = fifo_open, .llseek = no_llseek, .read = new_sync_read, .read_iter = pipe_read, .write = new_sync_write, .write_iter = pipe_write, .poll = pipe_poll, .unlocked_ioctl = pipe_ioctl, .release = pipe_release, .fasync = pipe_fasync,};new_sync_read函数是一个通用的读函数，其中调用了read_iter的钩子函数，即就是最终还是调用pipe_read函数进行管道的读操作，同理管道的写操作调用pipe_write。那么read和read_iter有什么区别呢？其实在老版本内核中使用read通常每次读取一个缓冲区的内存，若是存在多个缓冲区就需要多次调用read函数。而在新的内核版本中添加了read_iter函数，其是一个聚合读函数，可以同时读取多个缓冲区内容，性能较好。
代码基于Linux 3.18.24