Linux 中的管道是什么？管道重定向是如何工作的？

我们在命令行中经常会用到类似 cmd0 | cmd1 | cmd2 的写法。其实，这是管道重定向（pipe redirection），用于将一个命令的输出作为输入重定向到下一个命令。

那么，你知道它具体是怎么工作的吗？今天我们来详细了解一下。

注：本文中会有多个地方使用 Unix 这个术语（而不是Linux），因为管道的概念起源于 Unix。

Linux 中的管道：总体思路

以下是关于“什么是 Unix 管道？”的内容：

Unix 管道是一种 IPC（Inter Process Communication，进程间通信）机制，它将一个程序的输出转发到另一程序的输入。

现在，我们换一种更加专业且易懂的语言重新解释一下：

Unix 管道是一种 IPC（Inter Process Communication，进程间通信）机制，它接收程序的标准输出（stdout），并通过缓冲区将其转发给另一个程序的标准输入（stdin）。

这样的描述，大家应该能理解了。参考下图可以了解管道的工作原理：

管道命令的最简单示例之一是将一些命令输出传递给 grep 命令以搜索特定字符串。

比如，我们可以搜索名称包含txt的文件，如下所示：

管道将标准输出重定向到标准输入，但不是作为命令参数

有个非常重要的一点需要注意，管道命令将标准输出（stdout）传递到另一个命令的标准输入（stdin），但不是作为参数。下面我们举个例子来说明这一点。

如果我们不带任何参数使用 cat 命令，它默认会从 stdin 读取内容。看下面的例子：

$ cat
Hello, my friend.
^D
Hello, my friend.

在上面的例子中，没有带任何参数使用了 cat，因此它默认会读取 stdin。接下来，我写了一行文字，然后按键 Ctrl+d 告诉它我写完了（Ctrl+d 表示 EOF 或文件结束）。随后，cat 命令读取 stdin，然后把之前我写的那行文字输出到了终端中。

现在，看如下命令：

echo hey | cat

管道右边的命令并不等于 cat hey。这里，标准输出（stdout）"hey" 被放在了缓冲区（buffer），并被传输到了 cat 命令的标准输入（stdin）。由于没有命令行参数，所以 cat 默认读取 stdin，而 stdin 中恰好有了内容（即“hey”），因此 cat 读取了这个内容，并将其打印到 stdout。

为了演示这个区别，我们可以创建一个名为 hey 的文件，并在其中添加一些文本。参见下图：

Linux 中的管道类型

Linux 中有两种类型的管道：

1）匿名管道，也就是未命名管道；

2）命名管道。

匿名管道

顾名思义，匿名管道就是没有名称。当你使用 | 符号时，它们就会由 Unix shell 动态创建了。

我们通常所说的管道，就是指的匿名管道。它用起来很方便，作为最终用户，我们不需要跟踪它的运行，shell 自动会处理这一切。

命名管道

这个稍有不同，命名管道在文件系统中确实存在。它们像普通文件一样存在，可以使用下面的命令创建命名管道：

mkfifo pipe

这将创建一个名为 pipe 的文件，执行以下命令：

$ ls -l pipe
prw-r--r--. 1 gliu gliu 0 Aug 4 17:23 pipe

请注意开头的“p”，这意味着该文件是一个管道。现在我们来使用这个管道。

如前所述，管道将命令的输出转发给另一个命令的输入。这就像快递服务，你把包裹从一个地址送到另一个地址。因此，第一步是提供包裹。

echo hey > pipe

我们会看到 echo 信息没有打印出来，看起来像是被挂起了。新打开一个终端，尝试读取该文件：

cat pipe

我们看下两个终端的输出结果，如下图所示：

惊讶吗？这两个命令同时完成了执行。

这是普通文件和命名管道之间的基本区别之一。在其他进程读取管道之前，不会将任何内容写入管道。

那么，为什么要使用命名管道呢？我们来看一下。

命名管道不会占用磁盘上的任何内存。

如果我们执行命令 du -s pipe，就会发现它不会占用任何空间。这是因为命名管道就像从内存缓冲区读写的端点。写入命名管道的任何内容实际上都存储在临时内存缓冲区中，当从另一个进程执行读取操作时，该缓冲区将被刷新。

节省 IO

因为写入命名管道意味着将数据存储到内存中的缓冲区中，因此如果涉及大文件的操作的话，就会大幅减少磁盘 I/O。

两个不同进程之间的通信

通过使用命名管道，可以高效地从另一个进程实时获取事件的输出。因为读和写同时发生，所以没有等待时间。

较低层次的管道理解（针对高级用户和开发人员）

接下来我们更深入的讨论一下管道，以及具体的实现。这些需要对以下内容有基本的了解：

• C 程序工作原理；

• 什么是系统调用；

• 什么是进程；

• 什么是文件描述符。

我们不会很详细的介绍这些概念，只讨论与管道相关的内容。对于大多数Linux用户来说，下面的内容可以选择性的阅读。

为了进行编译，在文章最后提供了一个示例 makefile。当然，这只是用来说明的伪代码。

看以下程序：

// pipe.c
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>


extern int errno;


int main(){
    signed int fd[2];
    pid_t pid;
    static char input[50];
    static char buf[50];


    pipe(fd);


    if((pid=fork())==-1){
        int err=errno;
        perror("fork failed");
        exit(err);
    }


    if(pid){
        close(fd[1]);
        read(fd[0], buf, 50);
        printf("The message read from child: %s\n", buf);
    } else {
        close(fd[0]);
        printf("Enter a message from parent: ");
        for(int i=0; (input[i]=getchar())!=EOF && input[i]!='\n' && i<49; i++);
        write(fd[1], input, 50);
        exit(0);
    }
    return 0;
}

在第16行，我使用 pipe() 函数创建了一个匿名管道，传递了一个长度为 2 的带符号整数数组。

这是因为管道只是一个包含两个无符号整数的数组，代表两个文件描述符。一个用于写，一个用于读。它们都指向内存上的缓冲区位置，通常为1mb。

这里我将变量命名为fd。fd[0] 是输入文件描述符，fd[1] 是输出文件描述符。在该程序中，一个进程将字符串写入 fd[1] 文件描述符，另一个进程从 fd[0] 文件描述符读取。

命名管道也一样，使用命名管道（而不是两个文件描述符），你可以从任何一个进程中打开一个文件，并像其他文件一样对其进行操作。同时应记住管道的特性。

下面是一个示例程序，它执行与前一个程序相同的操作，但它创建的不是匿名管道，而是命名管道：

// fifo.c
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>


extern int errno;


#define fifo "npipe"


int main(void){
    pid_t pid;
    static char input[50];
    static char buf[50];
    signed int fd;
    
    mknod(fifo, S_IFIFO|0700, 0);


    if((pid=fork())<0){
        int err=errno;
        perror("Fork failed");
        exit(err);
    }


    if(pid){
        fd=open(fifo, O_RDONLY);
        read(fd, buf, 50);
        close(fd);
        printf("The output is : %s", buf);
        remove(fifo);
        exit(0);
    } else {
        fd=open(fifo, O_WRONLY);
        for(int i=0; (input[i]=getchar())!=EOF && input[i]!='\n' && i<49; i++);
        write(fd, input, strlen(input));
        close(fd);
        exit(0);
    }
    return 0;
}

在这里，我使用 mknod 系统调用来创建命名管道。如你所见，虽然在完成时删除了管道，但你可以不使用它，只需要打开并写入本例中的 npipe 文件，就可以轻松的实现在不同进程之间的通信。

其实现实中，我们也不必创建两个管道来实现双向通信，匿名管道就是这样的。

以下是一个简单的 Makefile 的源代码示例（只是示例），将其与前面的程序放在同一个目录中（分别为 pipe.c 和 fifo.c）。

CFLAGS?=-Wall -g -O2 -Werror
CC?=clang


build:
$(CC) $(CFLAGS) -o pipe pipe.c
$(CC) $(CFLAGS) -o fifo fifo.c


clean:
rm -rf pipe fifo

以上就是本次分享的关于 Unix 管道的全部内容，欢迎讨论。