管道 (Unix)

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（英語：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[來源請求]。管道中的组成元素也被称作过滤程序（英语：Filter_(software)）。 这个概念是由道格拉斯·麥克羅伊为Unix 命令行发明的，因与物理上的管道相似而得名。 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（英语：Terminal pager）。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結束的管道（或more，這是個相似的分頁工具）是最常被使用的。這讓使用者可以閱覽尚未顯示的大量文字（受可用緩存限制，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），若少了這工具則這些文字將會捲過終端機而無法閱讀到。換句話說，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。 以下是一個管線的範例，執行由一URL標示的全球資訊網資源的一種拼寫檢查器。之後是關於這個其作用的說明。注意「\」是用來把這六行轉為一個命令列。 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 取得該網頁的HTML內容（在有些系統上可以使用wget）。 sed 移除非空格的字元和網頁內容的字母，並以空格取代之。 tr 把大寫字母改成小寫字母，並把行列裡的空格換成新行（每個詞現在各占有獨立的一行）。 grep 过滤得到那些至少有一个小写字母的行（删除空行）。 sort（英语：Sort_(Unix)） 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（英语：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。 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）。 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。 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" 。 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 <sys/wait.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> int main(int argc, char *argv[]) { int pipefd[2]; pid_t cpid; char buf; if (argc != 2) { fprintf(stderr, "Usage: %s <string>\n", argv[0]); 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(pipefd[1]); /* Close unused write end */ while (read(pipefd[0], &buf, 1) > 0) write(STDOUT_FILENO, &buf, 1); write(STDOUT_FILENO, "\n", 1); close(pipefd[0]); _exit(EXIT_SUCCESS); } else { /* Parent writes argv[1] to pipe */ close(pipefd[0]); /* Close unused read end */ write(pipefd[1], argv[1], strlen(argv[1])); close(pipefd[1]); /* Reader will see EOF */ wait(NULL); /* Wait for child */ exit(EXIT_SUCCESS); } } 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 <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> 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) perror("child open()"); else{ if (strlen(argv[1]) != write(fd, argv[1], strlen(argv[1]))) perror("child write error"); else close(fd); } } else if (pid > 0){ //father int fd = open(filename, O_RDONLY); if (fd < 0) perror("father open()"); else{ char buffer[200]; int readed = read(fd, buffer, 199); close(fd); buffer[readed] = '\0'; printf("%s\n",buffer); } } else perror("fork()"); } else perror("mkfifo() error:"); } 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 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。 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。 管道的概念以及垂直线的记号(|)都是由道格拉斯·麥克羅伊发明的，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（英语：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。 其他作業系統的這個特色源自於Unix，例如 Taos 和 MS-DOS，最終成為軟體工程的管道与过滤器设计模式。 匿名管道，一個用於行程間通訊的 FIFO 架構。 GStreamer，一個基於管道的多媒體架構。 哈特曼管道（英语：Hartmann pipeline） 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（英语：XML pipeline），处理XML的管线 http://www.linfo.org/pipe.html （页面存档备份，存于互联网档案馆） Pipes: A Brief Introduction by The Linux Information Project (LINFO) 存档副本. [2010-08-14]. （原始内容存档于2021-02-25）.  存档副本. [2010-08-14]. （原始内容存档于1999-02-20）.  Sal Soghoian on MacBreak Episode 3 "Enter the Automatrix" History of Unix pipe notation （页面存档备份，存于互联网档案馆） Doug McIlroy’s original 1964 memo （页面存档备份，存于互联网档案馆）, proposing the concept of a pipe for the first time pipe: create an interprocess channel – 系统界面（System Interfaces）参考，单一UNIX®规范第7期，由國際開放標準組織发布 Pipes: A Brief Introduction （页面存档备份，存于互联网档案馆） by The Linux Information Project (LINFO) Unix Pipes – powerful and elegant programming paradigm (Softpanorama) （页面存档备份，存于互联网档案馆） Ad Hoc Data Analysis From The Unix Command Line at Wikibooks （页面存档备份，存于互联网档案馆） – Shows how to use pipelines composed of simple filters to do complex data analysis. Use And Abuse Of Pipes With Audio Data （页面存档备份，存于互联网档案馆） – Gives an introduction to using and abusing pipes with netcat, nettee and fifos to play audio across a network. stackoverflow.com （页面存档备份，存于互联网档案馆） – A Q&A about bash pipeline handling.