Android随笔-pipe是什么？

pipe 是 Linux 内核提供的进程间通信（IPC）机制 ，本质上是一个内核管理的环形缓冲区（ring buffer） ，让两个进程可以通过文件描述符（FD）单向传输字节流。

一、pipe 是什么？

特性	说明
本质	内核中的环形缓冲区，存在于 RAM 中
方向	单向（半双工）：数据只能从一个方向流动
顺序	FIFO（先进先出）
生命周期	随进程结束而销毁，不持久化到磁盘
创建	`pipe()` 系统调用创建 2 个 FD

二、核心 API

c 复制代码

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);
// pipefd[0] = 读端（read end）
// pipefd[1] = 写端（write end）

// 现代版本：
int pipe2(int pipefd[2], int flags);
// flags: O_NONBLOCK（非阻塞）, O_CLOEXEC（执行时关闭）

// 示例：
int fd[2];
pipe(fd);  // 或 pipe2(fd, O_NONBLOCK | O_CLOEXEC)

write(fd[1], "Hello", 5);   // 向写端写入
read(fd[0], buf, 100);       // 从读端读取

三、架构图

四、内核实现：环形缓冲区

c 复制代码

// Linux Kernel: fs/pipe.c

struct pipe_inode_info {
    struct mutex mutex;
    struct pipe_buffer *bufs;      // 环形缓冲区数组
    unsigned int head;              // 写指针
    unsigned int tail;              // 读指针
    unsigned int ring_size;         // 缓冲区大小（默认 16 页 = 64KB）
    struct page *tmp_page;
    struct fasync_struct *fasync_readers;
    struct fasync_struct *fasync_writers;
    struct inode *inode;
    struct user_struct *user;
};

关键点：

内核分配一个页（page）数组作为缓冲区
默认大小：16 页 = 64KB（PIPE_BUF）
写指针和读指针维护 FIFO 顺序
缓冲区满时，write() 阻塞（默认）或返回 EAGAIN（非阻塞）

五、阻塞 vs 非阻塞行为

场景	阻塞模式（默认）	非阻塞模式（`O_NONBLOCK`）
`read()` 时缓冲区为空	阻塞，直到有数据	返回 `-1`，`errno = EAGAIN`
`write()` 时缓冲区满	阻塞，直到有空间	返回 `-1`，`errno = EAGAIN`
`write() < PIPE_BUF`	原子写入（全有或全无）	原子写入
`write() > PIPE_BUF`	可能拆分写入	可能拆分写入

六、pipe 在 Android Looper 中的应用（Legacy）

旧版 Android（Android 5.0 之前）用 pipe 实现 Looper 的线程唤醒：

cpp 复制代码

// system/core/libutils/Looper.cpp (Legacy)

Looper::Looper(bool allowNonCallbacks) {
    // 创建 pipe
    int wakeFds[2];
    pipe(wakeFds);  // or pipe2(wakeFds, O_CLOEXEC)
    
    mWakeReadPipeFd = wakeFds[0];   // 读端
    mWakeWritePipeFd = wakeFds[1];   // 写端
    
    // 将读端注册到 epoll
    struct epoll_event eventItem;
    eventItem.events = EPOLLIN;
    eventItem.data.fd = mWakeReadPipeFd;
    epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, mWakeReadPipeFd, &eventItem);
}

void Looper::wake() {
    // 向写端写入 1 字节，触发 epoll_wait 返回
    write(mWakeWritePipeFd, "W", 1);
}

void Looper::awoken() {
    // 从读端读取，清空 pipe
    char buffer[16];
    read(mWakeReadPipeFd, buffer, sizeof(buffer));
}

七、为什么 Android 从 pipe 切换到 eventfd？

对比项	pipe	eventfd
FD 数量	2（读+写）	1
内核缓冲区	2 个 ring buffer	1 个 64 位计数器
原子性	不保证	保证 64 位原子操作
系统调用开销	`pipe()` + 2 次 `fcntl()`	`eventfd()` 一次
适用场景	数据传输	简单通知
Android 使用	Legacy（pre-5.0）	Modern（5.0+）

eventfd 更适合"通知"场景，因为它就是设计来做轻量级事件通知的。

八、常见使用场景

场景	说明
Shell 管道	`ls	grep txt`---`ls`的 stdout 通过 pipe 连接到`grep` 的 stdin
父子进程通信	`fork()` 后，`pipe()` 让父子进程交换数据
Android Looper	Legacy 唤醒机制（已被 eventfd 替代）
自管道技巧	信号处理中，信号处理函数向 pipe 写，主循环从 pipe 读，避免信号处理中的异步问题

九、总结

pipe 是 Linux 内核提供的单向字节流 IPC 机制，通过 pipe() 创建两个文件描述符（fd $0$ 读端、fd $1$ 写端），数据在内核环形缓冲区中按 FIFO 顺序流动。旧版 Android Looper 用 pipe 实现线程唤醒（写端触发 epoll_wait 返回），现代 Android 用更高效的 eventfd 替代了 pipe。