Linux管道及重定向

对shell有一定了解的人都知道，管道和重定向是 Linux 中非常实用的 IPC 机制。在shell中，我们通常使用符合‘|’来表示管道，符号‘>’和‘<’表示重定向。那么管道和重定向的真实含义（定义）又是什么呢？

管道

管道的定义

管道就是一个进程与另一个进程之间通信的通道，它通常是用作把一个进程的输出通过管道连接到另一个进程的输入。它是半双工运作的，想要同时双向传输需要使用两个管道。管道又可以分为匿名管道和命名管道，而shell中使用到的是匿名管道，所以本文仅描述匿名管道。

例如命令ls | grep main.c，使用了管道来连接了两条命令来执行，能够快速地让我们知道当前目录下是否有 main.c 文件。

管道的本质是内存中的缓冲区，可以看作是打开到内存中的文件。所以需要使用两个文件描述符来索引它，一个表示读端，一个表示写端。并且规定，数据只能从读端读取、只能往写端写入。

创建管道

使用函数pipe()可以创建匿名管道，需要包含头文件 unistd.h，示例代码：

int fd[2];

pipe(fd);

首先创建一个 2 个元素的整型数组，然后将该数组作为pipe()的参数，pipe()执行成功后，数组元素 fd[0]的值就会变成所创建的管道的读端的文件描述符，fd[1]就会变成写端的文件描述符。至此管道就算创建成功了。

把管道作为标准输入输出

管道创建成功后，就可以直接使用 read()和 write()函数对管道进行数据的读写。而因为shell中都是使用标准输入输出对管道进行读写的，例如ls | grep main.c就是将 ls 的标准输出写到了管道写端，而 grep 的标准输入则从管道读端读取，所以本文也只描述此方法。

示例代码如下：

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);

}

首先是创建一个管道，然后创建子进程，子进程会继承这一个

管道，也就保证了父进程与子进程操作的是同一个管道（管道的继承与普通变量不同）。如果我们希望在子进程中执行管道的读端的程序例如ls | grep main.c中的grep main.c；在父进程中执行管道的写端的程序，例如ls | grep main.c中的ls。那么，
在子进程中，先调用dup2(fd[0],0);此函数就是将标准输入的文件描述符 0,指向了管道的读端。

文件描述符，本质是非负整数，通常是小整数；它是一个索引，通过该索引可以找到对应的文件。例如，标准输入、标准输出、标准错误的文件描述符默认是 0、1、2 。当进程需要从标准输入中读取数据时，就会通过 0 索引找到标准输入所对应的内存缓冲区来读取数据。

假设此时管道读端的文件描述符为 3、写端文件描述符为 4 。
调用dup2(fd[0],0)，实际上就是将文件描述符 3 指向的文件表项赋值给了文件描述符 0，而文件描述符 0 正是进程默认的标准输入。所以此时，当进程需要从标准输入读取数据时，进程就会通过文件描述符 0 来找到管道读端所对应内存缓冲区。
从而实现了通过标准输入来读取管道的数据，也可以说是，将管道的读端重定向到了标准输入。管道的写端与标准输入的关系也与此类似，此处不再赘述。
调用dup2(fd[0],0)之后还需要调用close()函数将管道原有的文件描述符关闭，关闭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，也就是说此时使用 read 函数从文件描述符 3 中是读取不到管道的数据的了，并不是说关闭管道的意思。
完成管道的设置之后，就可以通过 exec 族函数来执行外部命令了。需要注意的是，调用 exec 族函数并不会把管道这种 IPC 资源覆盖或者重新初始化。

文件重定向

文件重定向其实与上面管道重定向到标准输入输出很类似，甚至可以直接采用上面所说的方法来实现。但是此处将讲述一种更加简洁的方法实现。

实例代码如下：

char fileName[20]="out.txt";

freopen(fileName,"w",stdout);//redirect stdout to fileName

以上两行简单的代码就实现了，将该进程的标准输出重定向到了文件 out.txt ，甚至一行就可以实现。执行以上代码后，当前进程的所有标准输出，也就是 printf()之类的输出全都会被写到文件 out.txt，显示屏将不会有输出。

而将进程的标准输入重定向到文件 in.txt 的代码如下：

char fileName[20]="in.txt";

freopen(fileName,"r",stdin);//redirect stdin to fileName

其中的核心函数就是freopen()：

至此又可以给我们的stupidshell添加管道和重定向的功能了。完整代码实现请参考StupidShell代码仓库