第二章＊UNIX标准与实现（五）－－限量（Limits）

各种实现定义了很多魔数和常量。其中有许多使用临时特定的技术（ad hoc technique）被硬编码在程序里。随着各种标准化的努力，有更多的可移植的方法可以用来决定这些魔数和由实现定义的限量，极大地提高了我们软件的可移植性。

总共需要两种类型的限量：

1、编译期限量（比如short型的最大值）；

2、运行期限量（比如文件名的最大字符数）；

编译期限量可以被定义在头文件里，任何程序都可以在编译期引入，但是运行期限量需要进程调用函数来获得限量的值。

此外，有一些限量在一些实现上是固定的，它们能静态地定义在一个头文件里，然而在其它实现上是变化的，从而需要一个运行期的函数调用。这种类型的限量的例 子有文件名的最大字符数。在SVR4前，历史上系统V只允许一个文件名里有14个字符，而BSD的后裔把这个数值增大到了255。大多数UHIX系统实现 最近都支持多个文件系统类型，而且每种类型都有它自己的限量。这种情况下，一个文件名的运行期限量取决于它的文件系统。比如在root文件系统可以有14 个字符的限量，而在另一个系统可以有255个字符的限量。

为了解决这样的问题，有三种类型的限量被提供：

1、编译期限量（头文件）；

2、与文件和目录无关的运行期限量（sysconf函数）；

3、与文件和目录有关的运行期限量（pathconf和fpathconf函数）。

如果一个特定的运行期限量在一个系统实现上是不变的，则它可以在头文件里静态定义。如果不定义在头文件里，则应用程序必须调用三个conf函数中的一个来得到运行期的值。

ISO C限量

所有在ISO C里定义的限量都是编译期限量。下表给出定义在的C标准里的限量。这些常量一直都定义在这个头文件里，而不会在系统实现 上有变化。第三列显示了ISO C标准最小的可接受的值，考虑到一个使用反码计算（one's-complement arithmetic）的16位整型的系统。第四列显示了使用补码计算（two's-complement arithmetic）的32位Linux系统上的值。注意没有一个无符号数据类型有最小值，因为对于无符号数据类型来说这些值必须为0。在64位系统 上，long型值的最大值与long long型的最大值相同。

在里定义的整型值的大小
名称	描述	可接受的最小值	典型值
CHAR_BIT	char里的位数	8	8
CHAR_MAX	char的最大值	稍后讨论	127
CHAR_MIN	char的最小值	稍后讨论	-128
SCHAR_MAX	signed char的最大值	127	127
SCHAR_MIN	signed char的最小值	-127	-128
UCHAR_MAX	unsigned char的最大值	255	255
INT_MAX	int的最大值	32,767	2,147,483,647
INT_MIN	int的最小值	-32,767	-2,147,483,648
UINT_MAX	unsigned int的最大值	65,535	4,294,967,295
SHRT_MIN	short的最小值	-32,767	-32,768
SHRT_MAX	short的最大值	32,767	32,767
USHRT_MAX	unsigned short的最大值	65,535	65,535
LONG_MAX	long的最大值	2,147,438,647	2,147,483,647
LOGN_MIN	long的最小值	-2,147,483,647	-2,147,483,648
ULONG_MAX	unsigned long的最大值	4,294,967,295	4,294,967,295
LLONG_MAX	long long的最大值	9,223,372,036,854,775,807	9,223,372,036,854,775,807
LLONG_MIN	long long的最小值	-9,223,372,036,854,775,807	-9,223,372,036,854,775,808
ULLONG_MAX	unsigned long long的最大值	18,446,744,073,709,551,615	18,446,744,073,709,551,615
MB_LEN_MAX	多字节字符常量的最大字节数	1	16

有一个我们将会碰到的不同之处，是系统是提供有符号字符还是无符号字符。从第4列可以看到这个特定的系统使用有符号字符。我们看到CHAR_MIN与 SCHAR_MIN相等，而CHAR_MAX与SHAR_MAX相等。如果系统使用无符号字符，我们就会有CHAR_MIN等于0而CHAR_MAX与 UCHAR_MAX相同。

浮点数据类型定义在，它也有着一组类似的定义。任何人要执行重要的浮点工作时都要检查这个文件。

另一个我们将碰到的ISO C常量是FOPEN_MAX，它表示一个系统实现可以保证的同时打开的标准I／O流的最小数量。这个值定义在头文件里，而 且它的值为8。POSIX.1的STREAM_MAX值，如果它定义了的话，必须与FOPEN_MAX的值一样。

ISO C在里还定义了一个常量TMP_MAX。它是tmpnam函数可以产生的独一无二的文件名的最大数量。

下表我们给出本文讨论的四个系统上FOPEN_MAX和TMP_MAX的值：

限量	FreeBSD 5.2.1	Linux 2.4.22	Mac OS X 10.3	Solaris 9
FOPEN_MAX	20	16	20	20
TMP_MAX	308,915,776	238,328	308,915,776	17,576

ISO C还定义了常量FILENAME_MAX，但是我们应避免使用它，因为由于历史原因有些操作系统把它设得太小而不适合使用。

POSIX限量

POSIX.1定义了许多处理操作系统实现的限量的常量。不幸的是，这是一个更令人困惑特性。尽量POSIX.1定义了许多限量和常量，但我们仅仅关心影响基本POSIX.1接口的那些。这些限量和常量被分为五个各类：

1、不变的最小值：下表中的19个常量；

2、不变的值：SSIZE_MAX；

3、运行期可增长的值：CHARCLASS_NAME_MAX、COLL_WEIGHTS_MAX、LINE_MAX、NGROUPS_MAX、RE_DUP_MAX；

4、运行期可变化的值，可能不定：ARG_MAX、CHILD_MAX、HOST_NAME_MAX、LOGIN_NAME_MAX、OPEN_MAX、 PAGESIZE、RE_DUP_MAX、STREAM_MAX、SYMLOOP_MAX、TTY_NAME_MAX和TZNAME_MAX；

5、路径名变量的值，可能不定：FILESIZEBITS、LINK_MAX、MAX_CANON、MAX_INPUT、NAME_MAX、PATH_MAX、PIPE_BUF和SYMLINK_MAX。

在里定义的POSIX.1的不变最小值
名称	描述：...的可接受的最小值	值
_POSIX_ARG_MAX	exec函数参数的长度	4,096
_POSIX_CHILD_MAX	每个真实用户ID的子进程数	25
_POSIX_HOST_NAME_MAX	gethostname返回的主机名的最大长度	255
_POSIX_LINK_MAX	一个文件的链接数	8
_POSIX_LOGIN_NAME_MAX	登录名的最大长度	9
_POSIX_MAX_CANON	终端最简洁的（canonical）输入队列的字节数	255
_POSIX_MAX_INPUT	终端输入队列的可用空格	255
_POSIX_NAME_MAX	文件名的字节数，不包括终止字符null	14
_POSIX_NGROUPS_MAX	一个进程的同步的补充组ID的数量	8
_POSIX_OPEN_MAX	一个进程打开的文件数	20
_POSIX_PATH_MAX	路径名的字节数，包括终止符null	256
_POSIX_PIP_BUF	可被原子写入管道的字节数	512
_POSIX_RE_DUP_MAX	当使用间隔标记“\{m,n\}”时，被regexec和regcomp函数认可的基本正则表达式的重复出现次数	255
_POSIX_SSIZE_MAX	可以存入ssize_t对象的值	32,767
_POSIX_STREAM_MAX	一个进程能同时打开的标准I／O流的数量	8
_POSIX_SYMLINK_MAX	符号链接的字节数	255
_POSIX_SYMLOOP_MAX	路径名解析时可以转换的符号链接数	8
_POSIX_TTY_NAME_MAX	终端设备名的长度，包括终止符null	9
_POSIX_TZNAME_MAX	时区名的字节数	6

在这44个限量和常量中，有些可能定义在里，而其它的可能有也可能没有定义，取决于特定的条件。当我们讨论sysconf、pathconf和fpathconf函数时会再讨论这些可能有也可能没有定义的限量和常量。

19个不变最小值定义在上表中。这些值不会因为系统不同而有所区别。它们为那些特性定义了最具有约束性的值。遵守POSIX.1的系统实现必须提供至少那 么大的值，这也是为什么它们被称为最小值的原因，尽管它们名字里都含有“MAX”。还有，为了确保可移植性，一个严格遵守标准的应用程序一定不能要求一个 更大的值。我们在本文会讨论所有这些常量。

一个严格遵守POSIX标准（srictly-conforming POSIX）的应用程序与一个仅遵守POSIX标准（merely POSIX conforming）的应用程序不同。一个严格遵守的应用程序只使用IEEE标准1003.1-2001的接口。一个严格遵守的应用程序是一个 POSIX程序，而且不信赖于任何无定义的行为、不使用任何逐步废弃的接口、以及不使用比上表中的最小值更大的值。

不幸的是，不变最小值里有一些太小了，而不适合实际使用。比如，多数UNIX系统为每个进程打开远大于20个的文件。同 样，_POSIX_PATH_MAX的255的限制也太小，路径名会超过这个限制。这意味着我们不能使用_POSIX_OPEN_MAX和 _POSIX_PATH_MAX作为编译期的数组大小。

上表中的19个不变最小值中，每一个都有一个相应实现，名字为去掉_POSIX_前缀的常量名。没有_POSIX前绷的名字说明这是个真实系统实现上支持 的值。这19个实现值是早先我们列出的第2～5项：不变值、运行期可增长的值、运行期不变值和路径名变量值。问题是这19个实现值并不保证一定定义 在头文件里。

比如，一个特定的值可能没有包含在这个头文件里，如果它的进程的真实值依赖于系统里的内存总量。如果值没有在头文件里定义，我们不能在编译期里把它作为数 组边界。如以， POSIX.1决定为我们提供三个运行期函数：sysconf、pathconf和fpathconf，用来得到在运行时的真实实现值。尽管如此，仍然有 个问题，POSIX.1定义的值里面有些被定义为“可能不确定的”，即理论上是“无限”的。这意味着这个值没有实际的上限。比如，在Linux上，可以被 readv和writev使用的iovec结构的数量只限于系统的内存总量。为此，IOV_MAX在Linux被认为是“不确定”的，我们在讲述后面的运 行期限量时再来讨论这个问题。

XSI 限量

XSI同样定义了处理实现限量的常数，包括：

1、不变最小量：下表中的10个常量；

2、数字限量：LONG_BIT和WORD_BIT；

3、运行期不变值，可能不确定：ATEXIT_MAX、IOV_MAX和PAGE_SIZE。

里定义的XSI不变最小值
名称	描述	最小可接受值	典型值
NL_ARGMAX	printf和scanf调用数字的最大值	9	9
NL_LANGMAX	LANG环境变量的最大字节数	14	14
NL_MSGMAX	最大消息数量	32,767	32,767
NL_NMAX	多对一映射字符的最大字节数	未定义	1
NL_SETMAX	最大集合数量	255	255
NL_TEXTMAX	消息字符串的最大字节数	_POSIX2_LINE_MAX	2,048
NZERO	默认的进程优先级	20	20
_XOPEN_IOV_MAX	readv和writev使用的iovec结构的最大数量	16	16
_XOPEN_NAME_MAX	文件名的最大字节数	255	255
_XOPEN_PATH_MAX	路径名的最大字节数	1,024	1,024

上表中有许多值是用来处理消息类别。最后两个值证明了POSIX.1的最小值太小了，很可能只允许嵌入式的POSIX.1系统，所以单一UNIX规范在XSI标准里加入更大的最小值。

函数synconf、pathconf和fpathconf

我们已经列出一个系统实现必须支持的各种最小值，但是我们怎么知道一个特定系统真正支持了那些限量呢？如我们早先所述，这些限量中有些可以在编译期可用， 而一些只有在运行期得到。我们也提到过有些限量在某个系统上是固定的，而其它可能是变化的，因为它们与文件或目录相关。运行期限量可以通过调用以下三个函 数来得到：

#include
long sysconf(int name);
long pathconf(const char* pathname, int name);
long fpathconf(int filedes, int name);

这三个函数成功都返回一个相应的值，而失败则返回-1。

最后两个函数的区别在于一个接受路径名作为参数，而另一个接受文件描述符作为参数。

下表列出了sysconf得到系统限量所用的名字参数，都以_SC_开头：

sysconf的名字参数以及相应的限量
限量名	描述	名字参数
AGR_MAX	exec函数参数的最大长度，以字节为单位	_SC_ARG_MAX
ATEXIT_MAX	可以被atexit函数注册的函数的最大数量	_SC_ATEXIT_MAX
CHILD_MAX	一个真实用户ID可以拥有的最大进程数	_SC_CHILD_MAX
clock ticks/second	每秒钟的时钟周期	_SC_CLK_TCK
COLL_WEIGHTS_MAX	在本地定义文件里可以赋值给LC_COLLATE命令关键字的重量的最大数量	_SC_SOLL_WEIGHTS_MAX
HOST_NAME_MAX	gethostname返回的主机名的最大长度	_SC_HOST_NAME_MAX
IOV_MAX	readv和writev使用的iovec结构的最大数量	_SC_IOV_MAX
LINE_MAX	实用工具的输入行的最大长度	_SC_LINE_MAX
LOGIN_NAME_MAX	登录名的最大长度	_SC_LOGIN_NAME_MAX
NGROUPS_MAX	每个进程的同步补充组ID数	_SC_NGROUPS_MAX
OPEN_MAX	一个进程打开文件的最大数量	_SC_OPEN_MAX
PAGESIZE	系统内存页的字节数	_SC_PAGESIZE
PAGE_SIZE	系统内存页的字节数	_SC_PAGE_SIZE
RE_DUP_MAX	regexec和regcomp函数使用间隔符\{m,n\}可以识别的基本表达式的重复次复	_SC_RE_DUP_MAX
STREAM_MAX	在任何时候一个进程的标准流的最大数量；如果有定义，这个值必须与FOPEN_MAX一样	_SC_STREAM_MAX
SYMLOOP_MAX	路径名解析时可以处理的符号链接数	_SC_SYMLOOP_MAX
TTY_NAME_MAX	终端设备名的长度，包括终止符null	_SC_TTY_NAME_MAX
TZNAME_MAX	时区名的最大字节数	_SC_TZNAME_MAX

下表列出了pathconf和fpathconf函数使用的名字参数，都以_PC_开头：

pathconf和fpathconf的名字参数以及相应限量
限量名	描述	名字参数
FILESIZEBITS	为了表示在指定目录下允许的普通文件大小的最大值，所使用的有符号整型值所需的最小比特位数	_PC_FILESIZEBITS
LINK_MAX	一个文件链接数的最大值	_PC_LINK_MAX
MAX_CONON	一个终端最简洁的输入队列的最大字节数	_PC_MAX_CONON
MAX_INPUT	一个终端的输入队列可用空间的字节数	_PC_MAX_INPUT
NAME_MAX	文件名的最大字节数，不包括终止符null	_PC_NAME_MAX
PATH_MAX	相对路径名的最大字节数，包括终止符null	_PC_PATH_MAX
PIPE_BUF	可以原子写入管道的最大字节数	_PC_PIP_BUF
SYMLINK_MAX	一个符号链接的字节数	_PC_SYMLINK_MAX

下面再深入讨论下这三个函数的不同的返回值：

1、如果名字参数不正确，这三个函数都会返回-1并设置errno值为EINVAL。

2、一些名字参数可以返回一个变量的值，或者表明这个值是不确定的。通过返回-1但不改变erron的值来表示一个不确定的值；

3、_SC_CLK_TC的返回值是每秒钟的时钟周期，用来与times函数的返回值共同使用。

在传递路径名给pathconf和域参数给fpathconf时有些约束。如果这些约束中任意一个没有满足，则结果无定义：

1、_PC_MAX_CONON和_PC_MAX_INPUT的对应的文件并须是一个终端文件；

2、_PC_LINK_MAX的对应的文件既可以是文件也可以是目录。如果相应文件是一个目录，则返回值对应于目录本身，而不是目录下的文件；

3、_PC_FILESIZEBITS和_PC_NAME_MAX的相应文件必须是目录。返回值对应于这个目录下的文件；

4、_PC_PATH_MAX相应的文件必须是目录。当这个目录是工作目录时，返回值是相对路径名的最大长度。（不幸的是，这不是我们想知道的绝对路径的真实长度，稍后再来讨论这个问题。）

5、_PC_PIPE_BUF的相应文件必须是个管道，FIFO或者目录。前两种情况下返回值为相应管道或FIFO的限量。最后一种情况的返回值为指定目录下创建的任一FIFO的限量。

6、_PC_SYMLINK_MAX的相应文件必须是一个目录。返回值为目录里的符号链接可以包含的字符串的最大长度。

不确定的运行期限量（Indeterminate Runtime Limits）

我们之前提到了有运行期变量可以是不确定的。问题在于如果这些限量没有在里定义，那我们就不能在编译期使用它们。而且如 果它们的值是不确定的，那么可能在运行期也没有定义！我们来看下两个特殊的情况：为路径名分配内存，以及决定文件描述符的数量。

路径名（Pathname）

许多程序需要为路径名分配内存。典型地，内存在编译期分配，而一些魔数（没有一个是正确的值）被用来作为数组尺寸：256、512、1024或都标准 I／O常量BUFSIZ。定义在里的4.3BSD常量MAXPATHLEN才是正确的值，但许多程序都不用它。

POSIX.1试图用PATH_MAX来解决这个问题，但如果这个值是不确定的，那我们仍然不走运。本文使用下面这个函数来动态地为路径名分配内存：

#include <errno.h>
#include <limits.h>
#include <unistd.h>

#ifdef PATH_MAX
static int pathmax = PATH_MAX;
#else
static int pathmax = 0;
#endif

#define SUSV3 200112L

static long posix_version = 0;

/* If MATH_MAX is indeterminate, no guarantee this is adquate */
#define PATH_MAX_GUESS 1024

void err_sys(const char* msg);

char *
path_alloc(int *sizep) /* also return allocated size, if nonnull */
{
    char *ptr;
    int size;

    if (posix_version == 0)
        posix_version = sysconf(_SC_VERSION);

    if (pathmax == 0) { /*first time through */
        errno = 0;
        if ((pathmax = pathconf("/", _PC_PATH_MAX)) < 0) {
            if (errno == 0)
                pathmax = PATH_MAX_GUESS; /* it's indeterminate */
            else
                err_sys("pathconf error for _PC_PATH_MAX");
        } else {
            pathmax++; /* add one since it's relative to root */
        }
    }
    if (posix_version < SUSV3)
        size = pathmax + 1;
    else
        size = pathmax;

    if ((ptr = malloc(size)) == NULL)
        printf("malloc error for pathname");

    if (sizep != NULL)
        *sizep = size;
    return(ptr);
}

void err_sys(const char* msg) {
    printf("%s\n", msg);
    exit(1);
}

如果PATH_MAX在里定义了，那就使用它，不然就调用pathconf。如果第一个参数是工作路径，那么 pathconf的返回值是一个相对路径名的最大尺寸，所以我们把根目录作为第一个参数，而后在结果上加1。如果pathconf指出PATH_MAX是 不确定的，那我们只有猜测一个值了。

SUSv3之前的标准并没有清楚说明PATH_MAX最末尾是否包括一个null的字节。如果操作系统实现信赖于这些早期的标准，则我们需要加一个字节的内存，这样会更安全些。

处理不确定结果情况的正确方法取决于分配的空间怎样被使用。如果分配的内存是为了函数调用getcwd－－比如：返回当前工作目录的绝对路径名－－而且如 果分配的空间太小的话，那errno会返回一个错误ERANGE。我们可以接着调用realloc来增加这块分配的空间并再次尝试。我们可以持续这样做， 直到getcwd成功为止。

打开文件的最大数量（Maximum Number of Open Files）

一个后台进程（daemon process）－－运行在后台，不与任何终端关联的进程－－的一个普遍代码流程是关闭所有打开的文件。一些程序用以下代码，设想常量NOFILE定义在头文件里：

#include <sys/param.h>
for (i = 0; i < NOFILE; i++)
    close(i);

其它一些程序使用一些版本的提供的常量_NFILE作为上限。有些把它硬编码为20.

我们本希望用POSIX.1的值OPEN_MAX来决定这个值，但如果这个值是不确定的，我们仍然会有问题。如果我们把代码写成下面的模样，而同时OPEN_MAX是不确定的，那会造成死循环，因为sysconf会返回-1：

#include <unistd.h>
for (i = 0; i < sysconf(_SC_OPEN_MAX); i++)
    close(i);

我们最好的解决方案是仅仅关闭所有不超过一个任意上限（比如256）的描述符。和我们的pathname例子一样，这个并不保证可以在所有情况下都工作，但这是我们能做的最好的事情。看如下代码：

#include <errno.h>
#include <limits.h>
#include <unistd.h>

#ifdef OPEN_MAX
static long openmax = OPEN_MAX;
#else
static long openmax = 0;
#endif

/*
 * If OPEN_MAX is indeterminate, we're not
 * guaranteed that this is adequate.
 */
#define OPEN_MAX_GUESS 256

void err_sys(const char* msg);

long
open_max(void)
{
    if (openmax == 0) { /* first time through */
        errno = 0;
        if ((openmax = sysconf(_SC_OPEN_MAX)) < 0) {
            if (errno == 0)
                openmax = OPEN_MAX_GUESS; /* it's indeterminate */
            else
                err_sys("sysconf error for _SC_OPEN_MAX");
        }
    }
    return(openmax);
}

我们可能想尝试调用close函数，直到得到一个返回的错误，但是这个从close(EBADF)返回的错误并不能区分它是一个无效的文件描述符，还是这 个文件描述符并没有打开。如果我们尝试使用这种技术，但描述符9并没有打开而描述符10被打开，我们可以终止在9而不能关闭10。如果OPEN_MAX溢 出的话，dup函数确实返回一个特定的错误，但只能重复这个描述符两百多次才能得到这个值。

一些系统实现会返回LONG_MAX当作限值，来有效的表示没有限制。Linux的ATEXIT_MAX就是其一。这不是个好方法，因为它可能会导致程序很坏的行为。

比如，我们可以用Bourne-again shell的内置ulimit命令来改变我们进程可以同时打开的文件数的最大值。如果这个限制要设置成无限制的话，通常需要一个特殊（超级用户）的权限。 但一旦它被设置为无限的话，sysconf会返回LONG_MAX作为OPEN_MAX的值。程序信赖于这个值作为关闭的文件描述符的上限，而尝试关闭 2,147,483,647个文件描述符是非常浪费时间的，而它们之中大多数都没有被使用。

支持UNIX单一规范里的XSI扩展的系统会提供getrlimit函数。它能用来返回一个进程能打开的描述符的最大数量。利用这个函数，我们可以确保我们的进程没有打开超过预设的上限数的文件，从而避免上述问题。

OPEN_MAX被POSIX称为运行期不变量，意味着它的值不能在一个进程的生命周期内改变。但在支持XSI扩展的系统上我们可以调用 setrlimit函数在为一个运行着的进程改变这个值。（这个值也可以在C shell上用limit命令改变，或在Bourne、Bourne-again和Knon shell上用ulimit函数。）如果我们的系统支持这个功能，我们可以改变上述代码：每次调用open_max函数时，都调用sysconf，而不仅 仅在第一次调用时。