Linux下的管道容量及其实现机制

 1、管道外部实现
         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。

2、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，他利用了文件在 Linux
中，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。
3、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。编程测试管道的大小：
#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;
    }
   size_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);
        }
   } 
 close(pipefds[0]);
 close(pipefds[1]);
  return 0;
}