管道 (Unix)

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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过滤程序。

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

```bash
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终端分页器。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标示的万维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。

```bash
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_(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_(Unix) 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：

```bash
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：

```c
 
#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

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：

```c
#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

## 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。

### 其他操作系统

其他操作系统的这个特色源自于Unix，例如 Taos 和 MS-DOS，最终成为软件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
- Doug McIlroy’s original 1964 memo , proposing the concept of a pipe for the first time
- Pipes: A Brief Introduction by The Linux Information Project (LINFO)
- Unix Pipes – powerful and elegant programming paradigm (Softpanorama)
- Ad Hoc Data Analysis From The Unix Command Line at Wikibooks – Shows how to use pipelines composed of simple filters to do complex data analysis.
- Use And Abuse Of Pipes With Audio Data – Gives an introduction to using and abusing pipes with netcat, nettee and fifos to play audio across a network.
- stackoverflow.com – A Q&A about bash pipeline handling.