我們在命令行中經(jīng)常會用到類似 cmd0 | cmd1 | cmd2 的寫法。其實，這是管道重定向（pipe redirection），用于將一個命令的輸出作為輸入重定向到下一個命令。

那么，你知道它具體是怎么工作的嗎？今天我們來詳細(xì)了解一下。

注：本文中會有多個地方使用 Unix 這個術(shù)語（而不是Linux），因為管道的概念起源于 Unix。

Linux 中的管道：總體思路

以下是關(guān)于“什么是 Unix 管道？”的內(nèi)容：

Unix 管道是一種 IPC（Inter Process Communication，進(jìn)程間通信）機(jī)制，它將一個程序的輸出轉(zhuǎn)發(fā)到另一程序的輸入。

現(xiàn)在，我們換一種更加專業(yè)且易懂的語言重新解釋一下：

Unix 管道是一種 IPC（Inter Process Communication，進(jìn)程間通信）機(jī)制，它接收程序的標(biāo)準(zhǔn)輸出（stdout），并通過緩沖區(qū)將其轉(zhuǎn)發(fā)給另一個程序的標(biāo)準(zhǔn)輸入（stdin）。

這樣的描述，大家應(yīng)該能理解了。參考下圖可以了解管道的工作原理：

管道命令的最簡單示例之一是將一些命令輸出傳遞給 grep 命令以搜索特定字符串。

比如，我們可以搜索名稱包含txt的文件，如下所示：

管道將標(biāo)準(zhǔn)輸出重定向到標(biāo)準(zhǔn)輸入，但不是作為命令參數(shù)

有個非常重要的一點(diǎn)需要注意，管道命令將標(biāo)準(zhǔn)輸出（stdout）傳遞到另一個命令的標(biāo)準(zhǔn)輸入（stdin），但不是作為參數(shù)。下面我們舉個例子來說明這一點(diǎn)。

如果我們不帶任何參數(shù)使用 cat 命令，它默認(rèn)會從 stdin 讀取內(nèi)容。看下面的例子：

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

在上面的例子中，沒有帶任何參數(shù)使用了 cat，因此它默認(rèn)會讀取 stdin。接下來，我寫了一行文字，然后按鍵 Ctrl+d 告訴它我寫完了（Ctrl+d 表示 EOF 或文件結(jié)束）。隨后，cat 命令讀取 stdin，然后把之前我寫的那行文字輸出到了終端中。

現(xiàn)在，看如下命令：

echo hey | cat

管道右邊的命令并不等于 cat hey。這里，標(biāo)準(zhǔn)輸出（stdout）"hey" 被放在了緩沖區(qū)（buffer），并被傳輸?shù)搅?cat 命令的標(biāo)準(zhǔn)輸入（stdin）。由于沒有命令行參數(shù)，所以 cat 默認(rèn)讀取 stdin，而 stdin 中恰好有了內(nèi)容（即“hey”），因此 cat 讀取了這個內(nèi)容，并將其打印到 stdout。

為了演示這個區(qū)別，我們可以創(chuàng)建一個名為 hey 的文件，并在其中添加一些文本。參見下圖：

Linux 中的管道類型

Linux 中有兩種類型的管道：

1）匿名管道，也就是未命名管道；

2）命名管道。

匿名管道

顧名思義，匿名管道就是沒有名稱。當(dāng)你使用 | 符號時，它們就會由 Unix shell 動態(tài)創(chuàng)建了。

我們通常所說的管道，就是指的匿名管道。它用起來很方便，作為最終用戶，我們不需要跟蹤它的運(yùn)行，shell 自動會處理這一切。

命名管道

這個稍有不同，命名管道在文件系統(tǒng)中確實存在。它們像普通文件一樣存在，可以使用下面的命令創(chuàng)建命名管道：

mkfifo pipe

這將創(chuàng)建一個名為 pipe 的文件，執(zhí)行以下命令：

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

請注意開頭的“p”，這意味著該文件是一個管道。現(xiàn)在我們來使用這個管道。

如前所述，管道將命令的輸出轉(zhuǎn)發(fā)給另一個命令的輸入。這就像快遞服務(wù)，你把包裹從一個地址送到另一個地址。因此，第一步是提供包裹。

echo hey > pipe

我們會看到 echo 信息沒有打印出來，看起來像是被掛起了。新打開一個終端，嘗試讀取該文件：

cat pipe

我們看下兩個終端的輸出結(jié)果，如下圖所示：

驚訝嗎？這兩個命令同時完成了執(zhí)行。

這是普通文件和命名管道之間的基本區(qū)別之一。在其他進(jìn)程讀取管道之前，不會將任何內(nèi)容寫入管道。

那么，為什么要使用命名管道呢？我們來看一下。

命名管道不會占用磁盤上的任何內(nèi)存。

如果我們執(zhí)行命令 du -s pipe，就會發(fā)現(xiàn)它不會占用任何空間。這是因為命名管道就像從內(nèi)存緩沖區(qū)讀寫的端點(diǎn)。寫入命名管道的任何內(nèi)容實際上都存儲在臨時內(nèi)存緩沖區(qū)中，當(dāng)從另一個進(jìn)程執(zhí)行讀取操作時，該緩沖區(qū)將被刷新。

節(jié)省 IO

因為寫入命名管道意味著將數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存中的緩沖區(qū)中，因此如果涉及大文件的操作的話，就會大幅減少磁盤 I/O。

兩個不同進(jìn)程之間的通信

通過使用命名管道，可以高效地從另一個進(jìn)程實時獲取事件的輸出。因為讀和寫同時發(fā)生，所以沒有等待時間。

較低層次的管道理解（針對高級用戶和開發(fā)人員）

接下來我們更深入的討論一下管道，以及具體的實現(xiàn)。這些需要對以下內(nèi)容有基本的了解：

• C 程序工作原理；
• 什么是系統(tǒng)調(diào)用；
• 什么是進(jìn)程；
• 什么是文件描述符。

我們不會很詳細(xì)的介紹這些概念，只討論與管道相關(guān)的內(nèi)容。對于大多數(shù)Linux用戶來說，下面的內(nèi)容可以選擇性的閱讀。

為了進(jìn)行編譯，在文章最后提供了一個示例 makefile。當(dāng)然，這只是用來說明的偽代碼。

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() 函數(shù)創(chuàng)建了一個匿名管道，傳遞了一個長度為 2 的帶符號整數(shù)數(shù)組。

這是因為管道只是一個包含兩個無符號整數(shù)的數(shù)組，代表兩個文件描述符。一個用于寫，一個用于讀。它們都指向內(nèi)存上的緩沖區(qū)位置，通常為1mb。

這里我將變量命名為fd。fd[0] 是輸入文件描述符，fd[1] 是輸出文件描述符。在該程序中，一個進(jìn)程將字符串寫入 fd[1] 文件描述符，另一個進(jìn)程從 fd[0] 文件描述符讀取。

命名管道也一樣，使用命名管道（而不是兩個文件描述符），你可以從任何一個進(jìn)程中打開一個文件，并像其他文件一樣對其進(jìn)行操作。同時應(yīng)記住管道的特性。

下面是一個示例程序，它執(zhí)行與前一個程序相同的操作，但它創(chuàng)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;
}

在這里，我使用 mknod 系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建命名管道。如你所見，雖然在完成時刪除了管道，但你可以不使用它，只需要打開并寫入本例中的 npipe 文件，就可以輕松的實現(xiàn)在不同進(jìn)程之間的通信。

其實現(xiàn)實中，我們也不必創(chuàng)建兩個管道來實現(xiàn)雙向通信，匿名管道就是這樣的。

以下是一個簡單的 Makefile 的源代碼示例（只是示例），將其與前面的程序放在同一個目錄中（分別為 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關(guān)于 Unix 管道的全部內(nèi)容，歡迎討論。