管道 (Unix)

文字终端机上一个包含三个程式的管道
在类Unix操作系统（以及一些其他借用了这个设计的操作系统，如Windows）中，管道（Pipeline）是一系列将标准输入输出链接起来的进程，其中每一个进程的输出被直接作为下一个进程的输入。 每一个链接都由匿名管道实现。管道中的组成元素也被称作Filter_(software)。
这个概念是由道格拉斯·麦克罗伊为Unix 命令行发明的，因与物理上的管道相似而得名。

**例子**

**简单样例**
ls -l | less
在这个例子中，ls用于在Unix下列出目录内容，less是一个有搜索功能的交互式的文本分页器。这个管线使得用户可以在列出的目录内容比屏幕长时目录上下翻页。
以less结束的管道（或more，这是个相似的分页工具）是最常被使用的。这让使用者可以阅览尚未显示的大量文字（受可用缓存限制，控制台的屏幕大小、屏幕缓存大小往往有限，不足以一次先输出所有输出内容，也不能自由滚动内容），若少了这工具则这些文字将会卷过终端机而无法阅读到。换句话说，他们将程序员从为自己的软件开发分页器的负担中解放了出来：他们只需要把他们的输出用过“管道”导入到less程序中即可，甚至也可以完全不顾分页问题，去假定他们的用户会在需要将输出分页的时候自己去这样做。

**复杂样例**
以下是一个管线的范例，执行由一URL标示的全球资讯网资源的一种拼写检查器。之后是关于这个其作用的说明。注意「\」是用来把这六行转为一个命令列。
curl "https://en.wikipedia.org/wiki/Pipeline_(Unix)" | \
sed 's/^a-zA-Z / /g' | \
tr 'A-Z ' 'a-z\n' | \
grep 'a-z' | \
sort -u | \
comm -23 - /usr/share/dict/words | \
less
# curl 取得该网页的HTML内容（在有些系统上可以使用wget）。
# sed 移除非空格的字元和网页内容的字母，并以空格取代之。
# tr 把大写字母改成小写字母，并把行列里的空格换成新行（每个词现在各占有独立的一行）。
# grep 过滤得到那些至少有一个小写字母的行（删除空行）。
# sort 将“单词”（也就是每一个行）按照字母顺序排序，并且通过命令行的-u参数来删除重复的行。
# comm 查找两个文件中的共同行，-23过滤掉只有第二个文件拥有的行、两个文件共有的行，仅仅留下只在第一个文件中有的行。在文件名的位置上的-参数表示要求comm使用标准输入（在这个例子里，他的标准输入来自于管道上游的标准输出）作为输入，而不是以普通文件作为输入。最终得到一串没有出现在/usr/share/dict/words之中的“单词”（也就是一行）。
# less 允许用户翻页浏览结果。
这个特殊的“|”字符告诉命令行解释器（Shell）将前一个命令的输出通过“管道”导入到接下来的一行命令作为输入。也就是说，curl命令的输出被作为sed命令的输入，后面的命令也是这样。

**命令行界面中的管线**
所有广泛应用于UNIX和Windows中的shell程序都有特殊的语法构建管线。典型语法是使用ASCII中的垂直线“|”（正是由于这个原因，这个符号常被称为管道符）。当出现这样的语法时shell会启动各个进程，并调整各个进程的标准流之间的连接（还包括安排一些缓存）。

**错误流**
通常，管线中的进程的标准错误流("stderr")不会通过管道传输；它们被合并输出到控制台。然而，很多Shell提供一些扩充的语法去改变这一行为。比如在csh Shell和bash中，使用“|&”代替“|”来表示错误流也需要被合并进入标准输出，并传递给下一个进程。Bourne shell也可以合并错误流，通过 2>&1 也可以将错误流重定向到一个不同的文件。

**Pipemill**
在一些常用的简单管线中，shell仅仅只是用管道来连接每个子进程，然后在子进程中执行外部命令。因此shell本身没有通过管线来处理数据。
然而，shell也有可能直接处理管线数据。构建这样的语法像这样：
command | while read var1 var2 ...; do
# process each line, using variables as parsed into $var1, $var2, etc
# (note that this is a subshell: var1, var2 etc will not be available
# after the while loop terminates)
done
... 这样的语法叫 "pipemill" 。

**在程序中创造管道**

**匿名管道**
使用C语言在UNIX中使用pipe(2)系统调用时，这个函数会让系统构建一个匿名管道，这样在进程中就打开了两个新的，打开的文件描述符：一个只读端和一个只写端。管道的两端是两个普通的，匿名的文件描述符，这就让其他进程无法连接该管道。
为了避免死锁并利用进程的并行运行的好处，有一个或多个管道的UNIX进程通常会调用fork(2)产生新进程。并且每个子进程在开始读或写管道之前都会关掉不会用到的管道端。或者进程会产生一个子线程并使用管道来让线程进行数据交换。
实现代码：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int
main(int argc, char *argv)
{
int pipefd2;
pid_t cpid;
char buf;
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, "Usage: %s \n", argv0);
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (pipe(pipefd) == -1) {
perror("pipe");
exit(EXIT_FAILURE);
}
cpid = fork();
if (cpid == -1) {
perror("fork");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (cpid == 0) {    /* Child reads from pipe */
close(pipefd1);          /* Close unused write end */
while (read(pipefd0, &buf, 1) > 0)
write(STDOUT_FILENO, &buf, 1);
write(STDOUT_FILENO, "\n", 1);
close(pipefd0);
_exit(EXIT_SUCCESS);
} else {            /* Parent writes argv1 to pipe */
close(pipefd0);          /* Close unused read end */
write(pipefd1, argv1, strlen(argv1));
close(pipefd1);          /* Reader will see EOF */
wait(NULL);                /* Wait for child */
exit(EXIT_SUCCESS);
}
}

**具名管道**
具名管道可以通过调用mkfifo(2)或mknod(2)来构建，当被调用时表现为输入或输出的文件。这样可以允许建立多个管道，并且将其同标准错误重定向或tee结合起来使用更为有效。
实现代码：
#include 
#include 
#include 
#include  
#include  
#include 
#include 
int main(int argc, char *argv) {
char filename = "test_fifo";
if (!mkfifo(filename,S_IRUSR | S_IWUSR| S_IRGRP|S_IWGRP)){
pid_t pid = fork();
if (pid == 0){	//child
int fd = open(filename, O_WRONLY);
if (fd  0){	//father
int fd = open(filename, O_RDONLY);
if (fd 
以上代码在编译后运行时给出一个参数，子进程会将该参数内容写入管道（该管道在当前目录下，文件名为“test_fifo”），父进程从管道中读取内容并显示出来

**实现**
在大多数类UNIX操作系统中，管线上的所有进程同时启动，输入输出流也已经被正确地连接，并且这些进程被调度程序所管理。最为重要的一点就是，所有的UNIX管道和其他管道实现不一样的地方就是缓存的概念：输出进程可能会以每秒5000 byte的速度输出，但是接收进程也许每秒只能接收100 byte，但不会有数据丢失。原因就是管道上游的进程的所有输出都会被放入一个队列中。当下游进程开始接收数据时，操作系统就会将数据从队列传至接收进程，并将传完的数据从队列中移除。当缓存队列空间不足时，上游进程会被终止，直到接收进程读取数据为上游进程腾出空间。在Linux中，缓存队列的大小是65536 byte。

**网络管线**
根据Unix哲学——“一切都是文件”，netcat和socat这样的工具可以将管道连接到TCP/IP套接字。

**历史**
管道的概念以及垂直线的记号(|)都是由道格拉斯·麦克罗伊发明的，他是早期命令行外壳的作者。他发现他常常将一个程序的输出作为另一个程序的输入，于是便发明了“管道。它的想法在1973年被实现，Ken Thompson将管道添加到了UNIX操作系统。这个点子最终被移植到了其他的操作系统，比如DOS、OS/2、Microsoft Windows和BeOS，而且常常使用相同的记号(垂直线)。
虽然管道概念是独立发展的，但是 Unix 管道相似于、也确实晚于由Ken Lochner在20世纪60年代为Dartmouth Time Sharing System开发的'communication files'。
在苹果Automator（类似管道一样将多个重复的命令链接起来）的那个机器人拿着一根管子的图标也是对于最初Unix管道概念的纪念。

**其他作业系统**
其他作业系统的这个特色源自于Unix，例如 Taos 和 MS-DOS，最终成为软体工程的管道与过滤器设计模式。

**参见**
 匿名管道，一个用于行程间通讯的 FIFO 架构。- GStreamer，一个基于管道的多媒体架构。- 哈特曼管道- 命名管道，用于进程间通信的持久性管道- 流水线 (计算机)，与计算机相关的其他管线- 管道 (软件)，软件管线的基本概念- 重定向 (计算机)- tee，将管线内容取出的一个通用程序- XML管道，处理XML的管线

**引用**
Sal Soghoian on MacBreak Episode 3 "Enter the Automatrix"

**外部链接**
  History of Unix pipe notation date=20150408054606 
**  Doug McIlroy’s original 1964 memo date=20201109000841 , proposing the concept of a pipe for the first time
*create an interprocess channel- Pipes: A Brief Introduction date=20200626204944  by The Linux Information Project (LINFO)- Unix Pipes – powerful and elegant programming paradigm (Softpanorama) date=20210225083402 - Ad Hoc Data Analysis From The Unix Command Line at Wikibooks date=20210308123110  – Shows how to use pipelines composed of simple filters to do complex data analysis.- Use And Abuse Of Pipes With Audio Data date=20190722124528  – Gives an introduction to using and abusing pipes with netcat, nettee and fifos to play audio across a network.- stackoverflow.com date=20210227165030  – A Q&A about bash pipeline handling.