Linux下的管道pipe----管道容量和实现机制

  管道容量 

   linux上的PipE容量为（capacity）65536个字节；实验得到Ubuntu的PIPE_BUF为4096。

   当 管道的写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF，则返回管道中现有的数据字节数，如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF，则返回管道中现有数据字节数（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）（PIPE_BUF在 include/linux/limits.h中定义，不同的内核版本可能会有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少为512字节，red hat 7.2中为4096字节）

要保证write操作是原子操作，一次写入的字节数n就不能超过PIPE_BUF；非阻塞模式下当然还需要有>=n的空余空间，否则写入失败。一次写入大于PIPE_BUF的数据，不管是不是阻塞模式都不保证是原子操作

非阻塞模式下，能一次性写入的最大数据量就是管道的容量即65536字节了，注意这里的一次性写入是指write不返回的情况下，和原子操作不是一回事。如果写入的更长，也只能写这么多，write函数会返回已写入的长度

如果写端不存在，读的时候会返回0，代表读到了文件尾。如果读端不存在，写的时候就会产生SIGPIPE信号（忽略此信息的情况下write会返回失败，errno为EPIPE）

在linux终端输入“man 7 pipe”命令，可以查找到管道容量的最大和最小字节数

管道实现机制

（一）管道外部实现
当我们定义一个管道时，这个管道是由内核管理的一个缓冲区，可以抽象为现实生活中的一个传输线路。管道的一端连接一个进程的输出，这个进程会向管道中放入信息。管道的另一端连接一个进程的输入，这个进程取出被放入管道的信息。当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会等待，直到另一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。 从原理上，管道利用fork机制建立，从而让两个进程可以连接到同一个PIPE上。
在Linux中，管道是一种使用非常频繁的通信机制。从本质上说，管道也是一种文件，但它又和一般的文件有所不同，管道可以克服使用文件进行通信的两个问题，具体表现为：
· （1）限制管道的大小。实际上，管道是一个固定大小的缓冲区。在Linux中，该缓冲区的大小为1页，即4K字节，使得它的大小不象文件那样不加检验地增长。使用单个固定缓冲区也会带来问题，比如在写管道时可能变满，当这种情况发生时，随后对管道的write()调用将默认地被阻塞，等待某些数据被读取，以便腾出足够的空间供write()调用写。
· （2） 读取进程也可能工作得比写进程快。当所有当前进程数据已被读取时，管道变空。当这种情况发生时，一个随后的read()调用将默认地被阻塞，等待某些数据被写入，这解决了read()调用返回文件结束的问题。
（二）管道的内部实现机制

 实际上pipe并没有单独的实现数据结构，他利用了文件的在 Linux 中，而是借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。通过将两个 file 结构指向同一个临时的 VFS 索引节点，而这个 VFS 索引节点又指向一个物理页面而实现的。有两个 file 数据结构，但它们定义文件操作例程地址是不同的，其中一个是向管道中写入数据的例程地址，而另一个是从管道中读出数据的例程地址。这样，用户程序的系统调用仍然是通常的文件操作，而内核却利用这种抽象机制实现了管道这一特殊操作。
（三）管道的容量
当管道一端不断地读取数据，另一端却不输出数据。根据linux的实现机制当管道读满是输出端自动阻塞。所以这个管道是有大小的
现在我们编写程序来测试管道的大小

 #include
 #include
 #include

 int main(int argc, char* argv[])
 {
     int pipefds[2]; //[0] for read, [1] for write
     pipe(pipefds);

     char buf[4096];
     for (int i = 0; i < sizeof(buf); ++i)
     {
         buf[i] = 0x7f;
     }

     ssize_t ret = -1;

     int loop = 100;
     if (argc > 1)
     {
         loop = atoi(argv[1]);
     }

     for (int i = 0; i < loop; ++i)
     {
         printf("loop: %d\n", i);
         ret = write(pipefds[1], buf, sizeof(buf));
         if (ret < 0)
         {
             perror(NULL);
         }
         else
         {
             printf("%d\n", ret);
         }
     } // 当i=16的时候会阻塞，可知管道大小为64k

     close(pipefds[0]);
     close(pipefds[1]);

     return 0;
 }