Linux Shell中管道的原理及C实现框架

在shell中我们经常用到管道，有没考虑过Shell是怎么实现管道的呢？

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cat minicom.log | grep "error"

标准输入、标准输出与管道#

我们知道，每一个进程都有3个标准的输入输出文件描述符

描述符编号	简介	作用
0	标准输入	通用于获取输入的文件描述符
1	标准输出	通用输出普通信息的文件描述符
2	标准错误	通用输出错误信息的文件描述符

我们还知道，系统调用pipe可以创建无名管道

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int pipe(int pipefd[2]);

pipe的作用是创建无名管道，并创建两个文件描述符

文件描述符	作用
pipefd[0]	管道数据出口
pipefd[1]	管道数据入口

Shell实现管道的原理#

在上文的基础上，我们再看看Shell如何实现管道的。

Shell中通过fork+exec创建子进程来执行命令。如果是含管道的Shell命令，则管道前后的命令分别由不同的进程执行，然后通过管道把两个进程的标准输入输出连接起来，就实现了管道。

例如

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

这句命名的作用非常简单，

1. 通过grep命令在minicom.log中检索含有error关键字的行
2. 通过awk命令打印grep的输出结果中每一行的第一个字段

在Shell中要实现这样的效果，有4个步骤：

1. 创建pipe
2. fork两个子进程执行grep和awk命令
3. 把grep子进程的标准输出、标准错误重定向到管道数据入口
4. 把awk子进程的标准输入重定向到管道数据出口

这样就实现了Shell管道：grep把结果输出到管道，awk从管道获取数据

Shell如何用C实现管道#

我没研究过Shell的代码，但不妨碍我们从功能倒推实现，如果是我，我会怎么做呢？

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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](管道数据入口描述符) 复制到 文件描述符1&2
			 * 实现把cmd1的标准输出和标准错误 输送到管道
			 */
			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](管道数据出口描述符) 复制到 文件描述符0
			 * 实现cmd2从管道中读取(cmd1的输出)数据
			 */
			dup2(pfds[0], STDIN_FILENO);
			close(pfds[0]);
			close(pfds[1]);
			exec(cmd2...);
			__exit(127);
		}
		close(pfds[0]);
		close(pfds[1]);
		wait(...); 
	}
}