管道是什麼

首先來看一個命令：

cat file1 file2 | sort

cat表示讀取file1、file2中的資料，然後使用管道 |，將這些內容作為輸入，使用sort函式作為輸出，最後輸出在螢幕上。

管道做了什麼事

熟悉類UNIX系統的朋友一定經常使用管道，其實它就是用來做程序通訊的。我們很多時候需要將一個檔案中的內容作為另一個檔案的輸入，或者將一個程式執行的結果作為另一個程式的輸入，這時候管道就派上用場了。我們這裡先只考慮無名管道。

無名管道

1. 只能用於具有親緣關係的程序之間，父子程序，兄弟程序之間通訊，因為只有子程序才能繼續父程序的檔案描述符。
2. 半雙共通訊（同一時刻只能對管道進行一種操作（讀操作或者寫操作）），具有讀埠和寫埠。
3. 管道是一種特殊的檔案，可以使用檔案I/O函式（read,write…）來操作，但不能使用lseek函式來定位操作。
4. 管道是在記憶體中，不用我們主動去刪除。
5. 管道是基於佇列實現的，有大小限制。

管道實現原理

相關概念與函式

檔案描述符(File Descriptor)

對於核心而言，所有開啟檔案都是由檔案描述符引用。檔案描述符（fd）是一個非負整數。 
當開啟一個現存檔案或者建立一個新檔案時，核心向程序返回一個檔案描述符。fd可以理解為一個檔案的標識，系統呼叫中的open

和creat都返回fd，並將其作為引數傳給read或write。 
通常情況，UNIX shell**使檔案描述符0與程序的標準輸入相結合，檔案描述符1與標準輸出相結合，檔案描述符2與標準出錯輸出相結合**。 
因此，檔案描述符可以看成是檔案描述符表的一個下標，我們可以通過這個fd訪問檔案的資訊（fstate），也可以使用write或read對檔案進行修改，具體細節可參考這篇文章。 
總之，檔案描述符是標識每一個檔案及狀態的重要標識，而UNIX預設使用0,1,2作為標準輸入輸出以及錯誤輸出，因此，我們如果想要改變標準輸出，就需要將0,1對應的標準輸入輸出改成我們需要的檔案，這樣，就可在程式本身不知情的情況下對其進行操作。

fork()

fork()可以用來新建程序，實際上是建立一個原程序的副本，包括檔案描述符、暫存器值等，子程序和父程序互不相關，如果一個程序的變數發生變化，並不會影響另一個程序。 
由於我們是無名管道，需要知道進行傳輸的兩個程序之間的檔案描述符，因此fork()必不可少。

dup()

dup(fd)為複製檔案操作符的系統函式，可以定向目前未被使用的最小檔案操作符到fd所指的檔案（回憶檔案操作符其實只是一個下標）。 
例如，如果我們想用一個程式使用一個普通檔案作為標準輸出，怎麼做？可以先關閉檔案描述符1，再開啟一個新檔案（open系統呼叫函式返回的fd從0開始尋找未被使用的最小檔案描述符），這時候，檔案描述符1就被定向到那個我們需要進行輸出的普通檔案。但當我們完成輸出後，標準輸出已經無法恢復。因此，我們需要使用dup來將多個檔案描述符對應到標準輸出，這樣我們就可以進行恢復。 
下面是主要操作方法：

fd = dup(1)

該操作將標準輸出（1）分配一個新的檔案描述符fd，並使之對應於標準輸出檔案（螢幕）。也就是說，現在也可以使用fd進行標準輸出了，效果與預設的標準輸出一樣。 
然後，我們可以將標準輸出（1）關閉，開啟一個新檔案，這時候，新檔案的檔案描述符就為1，因此這個檔案就作為了標準輸出。 
當需要恢復原來的標準輸出時，先關閉檔案操作符1（使之空閒），然後執行：

n = dup(fd)

這時候，dup自動找到最小的空閒檔案操作符（1），並被定向到fd所指的檔案，也就是標準輸出。

pipe()

pipe(&fd[0])系統呼叫建立一個管道並返回兩個檔案描述符，一個用於寫，一個用於讀。 
一般來說，在本條語句之後會呼叫一個fork來建立一個子程序，然後父程序關掉用於讀的檔案描述符，子程序關掉用於寫的檔案描述符，這樣便可以做到一個程序向管道中寫資料，一個程序向管道中讀資料了。

execlp()

execlp()函式屬於exec()函式族，會從PATH環境變數所指的目錄中查詢符合引數file的檔名，找到後便執行該檔案，然後將第二個以後的引數當做該檔案的argv[0]、argv[1]……，最後一個引數必須用空指標(NULL)作結束。（具體用法見後面示例）

實現過程

有了以上的知識，我們就知道如何讓兩個程序進行通訊了。 
1. 使用pipe建立一個管道。 
2. 使用fork建立一個子程序，他們共同享有管道的讀和寫。 
3. 將一個程序的標準輸入改為管道的讀，另一個程序的標準輸出改為管道的寫。 
4. 使用exec()函式族執行所需要的程式。

具體示例

我們想自己實現一個管道，可以將number.txt中的數字讀取出來，並使用sort函式進行排序，最後將排序結果輸出在Shell中。 
原始number.txt中為：

99
123
892
12
1342
89
32
76

實現原始碼

int main(int argc, char *argv[], char **environ)
{
    int fd[2];

    pipe(fd);

    if (fork() != 0)
    {
        /*this is the father, need to read*/
        close(fd[1]);
        close(0);
        dup(fd[0]);
        close(fd[0]);
        // dup2(fd[0], 0);
        // close(fd[1]);
        execlp("sort", "sort", "-n", NULL);
        exit(0);
    }
    else {
        /*this is the child, need to write*/
        close(fd[0]);
        close(1);
        dup(fd[1]);
        close(fd[1]);
        // dup2(fd[1], 1);
        // close(fd[0]);
        execlp("cat", "cat", "numbers.txt", NULL);
        exit(0);
    }
    exit(0);
    return 0;
}

編譯執行

筆者使用Minix3.3進行編譯，其他類UNIX也可同樣進行。即可將排好序的數字輸出到Shell： 

心得

1. 在UNIX中，標準輸入輸出也是一個檔案，只是預設用檔案識別符號0,1與之對應。
2. 需熟練掌握UNIX系統呼叫的使用方法，以及程序的管理。

參考資料：

1. 程序通訊之無名管道
2. 在linux上 重定向 管道實現
3. 對stdin，stdout 和STDOUT_FILENO，STDIN_FILENO的學習
4. Operating System:Design and Implementation,Third Edition

 

 

轉自：https://blog.csdn.net/crazy_scott/article/details/79462967