Linuxshell命令：管道操作的深度理解和代码实证

要理解管道操作，必须知道Linux的文件和文件描述符概念。
关于这两个概念的理解，在我的两个浅文《Linux系统编程笔记－文件描述符》和《Linux Shell脚本攻略－重定向理解与补充》都有提及。虽然啰嗦的我都想吐，但为了文意连贯，有助于理解，还不得不再提一下要点。
关于Linux文件和文件描述符

简单提一下几个要点：
（１）在Linux中，一切都是文件。屏幕是文件，键盘是文件，系统错误也被抽象成了一个文件。当然，各种磁盘文件、各种设备，都是文件。
（２）是文件都有其对应的名字，名字是静态的。比如：键盘文件、屏幕文件、系统错误，它们的名字分别是：/dev/stdin、/dev/stdout、/dev/stderr。当然，各种磁盘文件、各种设备，也都有对应的名字。
（３）但是在Linux运行时，进程或内核需要打开某个文件时，内核用文件描述符的方式来跟踪处理相对应的文件。所以，文件描述符是动态概念。文件描述符是个非负整数。
（４）在Linux中，标准文件描述符有三个，分别是０（stdin）、１（stdout）、2（stderr）
std其实就是指键盘设备文件，stdout就指的是屏幕设备文件， stderr就是指错误文件。这三个之所以称之为“标准”，意思就是说它们是系统预留的，相当于每个进程的全局变量，也就是说每个进程无需刻意打开这三个文件描述符，就可以使用这三个标准文件。除了这三个，其它的，你要用，就必须自已open，自已open所得到的文件描述符值都大于或等于３。
Linux 管道“｜”操作说明
通过内容过滤将输出重定向到文件是我们平日里的基本任务之一。
除了文件输入重定向和输出重定向。Linux Shell 还有一种功能，就是可以将两个或者多个命令（程序或者进程）连接到一起，把一个命令的输出作为下一个命令的输入，以这种方式连接的两个或者多个命令就形成了管道（pipe）。
Linux 管道使用竖线“｜”连接多个命令，这被称为管道符。Linux 管道的具体语法格式如下：
cmd1 | cmd2
cmd1 | cmd2 [ | cmdN... ]
当在两个命令之间设置管道时，管道符｜左边命令的输出就变成了右边命令的输入。只要第一个命令向标准输出写入，而第二个命令是从标准输入读取，那么这两个命令就可以形成一个管道。大部分的 Linux 命令都可以用来形成管道。
这里需要注意，cmd1 必须有正确输出，而 cmd2 必须可以处理 cmd1 的输出结果；而且 cmd2 只能处理 cmd1 的正确输出结果，不能处理 cmd1 的错误信息。cmd3也能够接收cmd2的正确输出，依次类推。
以上关于Linux管道操作的说明，其是还是模糊和抽象的。下面我们用现有shell命仅来实际举例说明。
管道操作举例

ls 命令输出文件列表，执行：ls -l /dev能显示/dev目录下面好几百个文件。
grep 命令用于查找文件里符合条件的字符串。执行：ls -l /dev | grep std之后，得到了三个名有std的文件
cat 显示文件，执行：ls -l /dev | grep std | cat -n之后，把上一步的三个文件加上行号
管道操作解释
cmd1：ls -l /dev上面说过，它“必须有正确的输出”，输出是啥意思，就是ls命令输出到标准输出文件stdout，其实就是输出到屏幕。上面操作说明的“第一个命令向标准输出写入”正是这个意思。
cmd2:grep std它从标准输入读出数据，进行字符串比对。也就是说，这个grep命令是从stdin读取的数据。上面操作说明的“而第二个命令是从标准输入读取”正是这个意思。
一般新手肯定有这个疑问，既然“ls -l /dev”向屏幕文件stdout发送数据，grep是如何从stdin得到这个数据的呢？其实，这正是管道操作“｜”干的活，管道操作“｜”将“cmd1:ls -l /dev”的向stdout发送的数据，转而写入stdin，故此，“cmd2: grep std” 才能正常接收到数据。
也就是说，管道操作“｜”就是把左边命令的stdout数据，转而写到stdin，供右边的命令使用。
管道操作的程序验证
我们空说无凭，程序来实证。
C代码：write_to_stdout.c

#include
#include
#include
#include
#include
#define READ_MAX_LEN 1024
int main(int argc,char *argv)
{
ssize_t write_len;
if ( ( argc < 2) || ( strcmp(argv[1],"--help") == 0 ) )
{
printf("命令语法: %s inputString\n",argv[0]) ;
exit(1);
}
write_len =write(1,argv[1],strlen(argv[1]));
if ( write_len < 0 )
{
perror("错误:file write error ");
exit(1);
}
return 0;
}
编译：gcc write_to_stdout.c -o write.out

程序write.out，可以把你输入的参数字符串，输出到屏幕上。代码的内部，“write(1,argv[1],strlen(argv[1]));”的意思，就是写到stdout上面。
C代码：read_from_stdin.c

#include 部分，略
#define BUF_LEN 1024
int main(void)
char read_buf[BUF_LEN +1];
char digit_buf[BUF_LEN +1];
char alpha_buf[BUF_LEN +1];
ssize_t len_read;
size_t len_digit=0,len_alpha=0;
len_read =read(0,read_buf,BUF_LEN);
if ( len_read < 0 )
perror("perror:file read error ");
exit(1);
for(int i=0;i
if (isdigit(read_buf))
digit_buf[len_digit++]=read_buf;
else
alpha_buf[len_alpha++]=read_buf;
digit_buf[len_digit] = '\0';
alpha_buf[len_alpha] = '\0';
printf("read stdin, number part:%s\n alpha part:%s \n",digit_buf,alpha_buf);
return 0;
编译：gcc read_from_stdin.c -o read.out
程序read.out，从stdin读入内容，凡数字的拼接在一起，凡是字母的拼接在一起，分类输出到屏幕上。代码的内部，“read(0,read_buf,BUF_LEN);”的意思，就是从stdin标准输入上面读取数据。

这个两个自制小程序，实证了管道操作的本质：就是把管道符“｜”左边命令的stdout数据，转而写到stdin，供右边的命令使用。
或许有问：代码中的“write(1,argv[1],strlen(argv[1]));”和“read(0,read_buf,BUF_LEN);”，你怎么就知道是1和0，就对应标准输出stdout和标准输入stdin？请参看《Linux Shell脚本攻略－重定向理解与补充》中的内容，此处没必要重复。
另外，如果想用 "/dev/stdin"或“/dev/stdio”,就要“fd =open("/dev/stdin",...)”之后，再调用read、write函数来进一步测试。结果是一样的。