Linux Shell中管道的原理及C實現框架

在shell中我們經常用到管道，有沒考慮過Shell是怎麼實現管道的呢？

cat minicom.log | grep "error"

標準輸入、標準輸出與管道

我們知道，每一個進程都有3個標準的輸入輸出文件描述符

描述符編號	簡介	作用
0	標準輸入	通用於獲取輸入的文件描述符
1	標準輸出	通用輸出普通信息的文件描述符
2	標準錯誤	通用輸出錯誤信息的文件描述符

我們還知道，系統調用pipe可以創建無名管道

int pipe(int pipefd[2]);

pipe的作用是創建無名管道，並創建兩個文件描述符

文件描述符	作用
pipefd[0]	管道數據出口
pipefd[1]	管道數據入口

Shell實現管道的原理

在上文的基礎上，我們再看看Shell如何實現管道的。

Shell中通過fork+exec創建子進程來執行命令。如果是含管道的Shell命令，則管道前後的命令分別由不同的進程執行，然後通過管道把兩個進程的標準輸入輸出連接起來，就實現了管道。

例如

grep "error" minicom.log | awk '{print $1}'

這句命名的作用非常簡單，

1. 通過grep命令在minicom.log中檢索含有error關鍵字的行
2. 通過awk命令打印grep的輸出結果中每一行的第一個字段

在Shell中要實現這樣的效果，有4個步驟：

1. 創建pipe
2. fork兩個子進程執行grep和awk命令
3. 把grep子進程的標準輸出、標準錯誤重定向到管道數據入口
4. 把awk子進程的標準輸入重定向到管道數據出口

這樣就實現了Shell管道：grep把結果輸出到管道，awk從管道獲取數據

Shell如何用C實現管道

我沒研究過Shell的代碼，但不妨礙我們從功能倒推實現，如果是我，我會怎麼做呢？

int main(int argc, char **argv)
{
    while(1) {
        int pfds[2];
        pid_t cmd1, cmd2;
        if ((cmd1 = fork()) < 0) {
            ...
        } else if (cmd1 == 0) { /* child */
            /*
             * dup2 把 pfds[1](管道數據入口描述符) 複製到 文件描述符1&2
             * 實現把cmd1的標準輸出和標準錯誤 輸送到管道
             */
            dup2(pfds[1], STDOUT_FILENO);
            dup2(pfds[1], STDERR_FILENO);
            close(pfds[0]);
            close(pfds[1]);
            exec(cmd1...);
            __exit(127);
        }

        if ((cmd2 = fork()) < 0) {
            ...
        } else if (cmd2 == 0） { /* child */
            /*
             * dup2 把 pfds[0](管道數據出口描述符) 複製到 文件描述符0
             * 實現cmd2從管道中讀取(cmd1的輸出)數據
             */
            dup2(pfds[0], STDIN_FILENO);
            close(pfds[0]);
            close(pfds[1]);
            exec(cmd2...);
            __exit(127);
        }
        close(pfds[0]);
        close(pfds[1]);
        wait(...); 
    }
}