Linux下的管道pipe----管道容量和實現機制

  管道容量 

   linux上的PipE容量爲（capacity）65536個字節；實驗得到Ubuntu的PIPE_BUF爲4096。

   當 管道的寫端存在時，如果請求的字節數目大於PIPE_BUF，則返回管道中現有的數據字節數，如果請求的字節數目不大於PIPE_BUF，則返回管道中現有數據字節數（此時，管道中數據量小於請求的數據量）；或者返回請求的字節數（此時，管道中數據量不小於請求的數據量）（PIPE_BUF在 include/linux/limits.h中定義，不同的內核版本可能會有所不同。Posix.1要求PIPE_BUF至少爲512字節，red hat 7.2中爲4096字節）

要保證write操作是原子操作，一次寫入的字節數n就不能超過PIPE_BUF；非阻塞模式下當然還需要有>=n的空餘空間，否則寫入失敗。一次寫入大於PIPE_BUF的數據，不管是不是阻塞模式都不保證是原子操作

非阻塞模式下，能一次性寫入的最大數據量就是管道的容量即65536字節了，注意這裏的一次性寫入是指write不返回的情況下，和原子操作不是一回事。如果寫入的更長，也只能寫這麼多，write函數會返回已寫入的長度

如果寫端不存在，讀的時候會返回0，代表讀到了文件尾。如果讀端不存在，寫的時候就會產生SIGPIPE信號（忽略此信息的情況下write會返回失敗，errno爲EPIPE）

在linux終端輸入“man 7 pipe”命令，可以查找到管道容量的最大和最小字節數

管道實現機制

（一）管道外部實現
當我們定義一個管道時，這個管道是由內核管理的一個緩衝區，可以抽象爲現實生活中的一個傳輸線路。管道的一端連接一個進程的輸出，這個進程會向管道中放入信息。管道的另一端連接一個進程的輸入，這個進程取出被放入管道的信息。當管道中沒有信息的話，從管道中讀取的進程會等待，直到另一端的進程放入信息。當管道被放滿信息的時候，嘗試放入信息的進程會等待，直到另一端的進程取出信息。當兩個進程都終結的時候，管道也自動消失。 從原理上，管道利用fork機制建立，從而讓兩個進程可以連接到同一個PIPE上。
在Linux中，管道是一種使用非常頻繁的通信機制。從本質上說，管道也是一種文件，但它又和一般的文件有所不同，管道可以克服使用文件進行通信的兩個問題，具體表現爲：
· （1）限制管道的大小。實際上，管道是一個固定大小的緩衝區。在Linux中，該緩衝區的大小爲1頁，即4K字節，使得它的大小不象文件那樣不加檢驗地增長。使用單個固定緩衝區也會帶來問題，比如在寫管道時可能變滿，當這種情況發生時，隨後對管道的write()調用將默認地被阻塞，等待某些數據被讀取，以便騰出足夠的空間供write()調用寫。
· （2） 讀取進程也可能工作得比寫進程快。當所有當前進程數據已被讀取時，管道變空。當這種情況發生時，一個隨後的read()調用將默認地被阻塞，等待某些數據被寫入，這解決了read()調用返回文件結束的問題。
（二）管道的內部實現機制

 實際上pipe並沒有單獨的實現數據結構，他利用了文件的在 Linux 中，而是藉助了文件系統的file結構和VFS的索引節點inode。通過將兩個 file 結構指向同一個臨時的 VFS 索引節點，而這個 VFS 索引節點又指向一個物理頁面而實現的。有兩個 file 數據結構，但它們定義文件操作例程地址是不同的，其中一個是向管道中寫入數據的例程地址，而另一個是從管道中讀出數據的例程地址。這樣，用戶程序的系統調用仍然是通常的文件操作，而內核卻利用這種抽象機制實現了管道這一特殊操作。
（三）管道的容量
當管道一端不斷地讀取數據，另一端卻不輸出數據。根據linux的實現機制當管道讀滿是輸出端自動阻塞。所以這個管道是有大小的
現在我們編寫程序來測試管道的大小

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

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);
        }
    } // 當i=16的時候會阻塞，可知管道大小爲64k

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

    return 0;
}