Linux管道及重定向

對shell有一定了解的人都知道，管道和重定向是 Linux 中非常實用的 IPC 機制。在shell中，我們通常使用符合‘|’來表示管道，符號‘>’和‘<’表示重定向。那么管道和重定向的真實含義（定義）又是什么呢？

管道

管道的定義

管道就是一個進程與另一個進程之間通信的通道，它通常是用作把一個進程的輸出通過管道連接到另一個進程的輸入。它是半雙工運作的，想要同時雙向傳輸需要使用兩個管道。管道又可以分為匿名管道和命名管道，而shell中使用到的是匿名管道，所以本文僅描述匿名管道。

例如命令ls | grep main.c，使用了管道來連接了兩條命令來執行，能夠快速地讓我們知道當前目錄下是否有 main.c 文件。

管道的本質是內存中的緩沖區，可以看作是打開到內存中的文件。所以需要使用兩個文件描述符來索引它，一個表示讀端，一個表示寫端。並且規定，數據只能從讀端讀取、只能往寫端寫入。

創建管道

使用函數pipe()可以創建匿名管道，需要包含頭文件 unistd.h，示例代碼：

int fd[2];
pipe(fd);

首先創建一個 2 個元素的整型數組，然后將該數組作為pipe()的參數，pipe()執行成功后，數組元素 fd[0]的值就會變成所創建的管道的讀端的文件描述符，fd[1]就會變成寫端的文件描述符。至此管道就算創建成功了。

把管道作為標准輸入輸出

管道創建成功后，就可以直接使用 read()和 write()函數對管道進行數據的讀寫。而因為shell中都是使用標准輸入輸出對管道進行讀寫的，例如ls | grep main.c就是將 ls 的標准輸出寫到了管道寫端，而 grep 的標准輸入則從管道讀端讀取，所以本文也只描述此方法。

示例代碼如下：

int fd[2];
pipe(fd);
pid=fork();

if(0==pid)//execute next command in child process
{
	dup2(fd[0],0);//redirect standard input to pipe(read)
	close(fd[0]);
	close(fd[1]);

	if(0!=execvp(cmd0[0],cmd0))
		printf("No such command!\n");
	exit(EXIT_SUCCESS);
}
else//execute current command in current process 
{
	dup2(fd[1],1);//redirect standard output to pipe(write)
	close(fd[0]);
	close(fd[1]);

	if(0!=execvp(cmd1[0],cmd1))
		printf("No such command!\n");

	exit(EXIT_SUCCESS);
}

• 首先是創建一個管道，然后創建子進程，子進程會繼承這一個

  管道，也就保證了父進程與子進程操作的是同一個管道（管道的繼承與普通變量不同）。如果我們希望在子進程中執行管道的讀端的程序例如ls | grep main.c中的grep main.c；在父進程中執行管道的寫端的程序，例如ls | grep main.c中的ls。那么，

• 在子進程中，先調用dup2(fd[0],0);此函數就是將標准輸入的文件描述符 0,指向了管道的讀端。

文件描述符，本質是非負整數，通常是小整數；它是一個索引，通過該索引可以找到對應的文件。例如，標准輸入、標准輸出、標准錯誤的文件描述符默認是 0、1、2 。當進程需要從標准輸入中讀取數據時，就會通過 0 索引找到標准輸入所對應的內存緩沖區來讀取數據。

• 假設此時管道讀端的文件描述符為 3、寫端文件描述符為 4 。

• 調用dup2(fd[0],0)，實際上就是將文件描述符 3 指向的文件表項賦值給了文件描述符 0，而文件描述符 0 正是進程默認的標准輸入。所以此時，當進程需要從標准輸入讀取數據時，進程就會通過文件描述符 0 來找到管道讀端所對應內存緩沖區。

• 從而實現了通過標准輸入來讀取管道的數據，也可以說是，將管道的讀端重定向到了標准輸入。管道的寫端與標准輸入的關系也與此類似，此處不再贅述。

  

• 調用dup2(fd[0],0)之后還需要調用close()函數將管道原有的文件描述符關閉，關閉的意思是文件描述符 3 和 4 不再索引到管道或者其他文件，也就是說此時使用 read 函數從文件描述符 3 中是讀取不到管道的數據的了，並不是說關閉管道的意思。

• 完成管道的設置之后，就可以通過 exec 族函數來執行外部命令了。需要注意的是，調用 exec 族函數並不會把管道這種 IPC 資源覆蓋或者重新初始化。

文件重定向

文件重定向其實與上面管道重定向到標准輸入輸出很類似，甚至可以直接采用上面所說的方法來實現。但是此處將講述一種更加簡潔的方法實現。

實例代碼如下：

char fileName[20]="out.txt";
freopen(fileName,"w",stdout);//redirect stdout to fileName

以上兩行簡單的代碼就實現了，將該進程的標准輸出重定向到了文件 out.txt ，甚至一行就可以實現。執行以上代碼后，當前進程的所有標准輸出，也就是 printf()之類的輸出全都會被寫到文件 out.txt，顯示屏將不會有輸出。

而將進程的標准輸入重定向到文件 in.txt 的代碼如下：

char fileName[20]="in.txt";
freopen(fileName,"r",stdin);//redirect stdin to fileName

其中的核心函數就是freopen()：

至此又可以給我們的stupidshell添加管道和重定向的功能了。完整代碼實現請參考StupidShell代碼倉庫