澄清 Pipe() 和 dup2() 在 C 中如何工作

Question

我正在编写一个处理管道的简单外壳。我有工作代码，但我不太明白它在幕后是如何工作的。这是我需要帮助理解的修改后的代码片段(我删除了错误检查以缩短它):

int fd[2];
pipe(fd);

if (fork()) { /* parent code */
    close(fd[1]);
    dup2(fd[0], 0);

    /* call to execve() here */

} else { /* child code */
    close(fd[0]);
    dup2(fd[1], 1);
}

我对我的问题有一些猜测，但仅此而已 - 猜测。以下是我的问题:

1. 阻塞是在哪里执行的？在我见过的所有示例代码中，read()和write()提供阻塞，但我不需要在这里使用它们。我只是复制 STDIN 以指向管道的读取端，并将 STDOUT 复制以指向管道的写入端。我猜测正在发生的是 STDIN 在 dup2(fd[0], 0) 之后进行阻塞被执行。它是否正确？
2. 据我了解，每个正在运行的进程都有一个描述符表，指向文件表中打开的文件。当进程重定向 STDIN、STDOUT 或 STDERR 时会发生什么？这些文件描述符是否在所有进程的描述符表之间共享？或者每个流程都有副本？重定向其中一个是否会导致所有更改都反射(reflect)出来？

3. 调用 pipe() 后然后随后调用 fork()打开的管道有 4 个“端”:由父级访问的读端和写端以及由子级访问的读端和写端。在我的代码中，我关闭了父级的写入端和子级的读取端。但是，在完成管道后，我不会关闭剩余的两端。该代码工作正常，因此我假设已完成某种隐式关闭，但这都是猜测工作。我应该像这样添加显式调用来关闭剩余的两端吗？

   int fd[2];
   pipe(fd);
   
   if (fork()) { /* parent code */
       close(fd[1]);
       dup2(fd[0], 0);
   
       /* call to execve() here */
   
       close(fd[0]);
   
   } else { /* child code */
       close(fd[0]);
       dup2(fd[1], 1);
       close(fd[1]);
   }
   

4. 这更多的是关于管道过程如何工作的概念性问题。有管道的读取端，由文件句柄 fd[0] 引用。 ，以及管道的写入端，由文件句柄 fd[1] 引用。管道本身只是一个由字节流表示的抽象。文件句柄代表打开的文件，对吗？那么这是否意味着系统中的某个位置有一个文件(由 fd[1] 指向)包含我们想要通过管道发送的所有信息？通过字节流推送该信息后，有一个文件(由 fd[0] 指向)也写入了所有这些信息，从而创建了管道的抽象？

Answer 1

1. 您提供的代码中没有任何内容被阻止。 fork、dup2 和 close 都会立即运行。该代码不会在您打印的行中的任何地方暂停执行。如果您观察到任何等待或挂起，则它位于代码中的其他位置(例如，在对 waitpid 或 select 或 read 的调用中)。

2. 每个进程都有自己的文件描述符表。文件对象在所有进程之间是全局的(文件系统中的文件可能会多次打开，用不同的文件对象表示)，但文件描述符是每个进程的，这是每个进程引用文件对象的一种方式。因此，像“1”或“2”这样的文件描述符仅在您的进程中有意义 - “文件号 1”和“文件号 2”可能意味着与另一个进程不同的东西。但是进程可以引用相同的文件对象(尽管每个进程可能有不同的编号)。

   因此，从技术上讲，这就是为什么您可以在文件描述符上设置两组标志，即不在进程之间共享的文件描述符标志 (F_CLOEXEC) 和共享的文件对象标志(例如 O_NONBLOCK)即使在进程之间也是如此。

   除非你在 stdin/stdout/stderr 上做了一些奇怪的事情，比如 freopen(罕见)，否则它们只是 fds 0,1,2 的同义词。当你想写入原始字节时，使用文件描述符号调用write；如果您想编写漂亮的字符串，请使用 stdin/stdout/stderr 调用 fprintf ——它们会到达同一个地方。

3. 没有完成隐式关闭，你只是侥幸逃脱。是的，您应该在使用完文件描述符后关闭它们 - 从技术上讲，我会编写 if (fd[0] != 0) close(fd[0]); 只是为了使当然!

4. 不，没有任何内容写入磁盘。它是一个内存支持的文件，这意味着缓冲区不会存储在任何地方。当您写入磁盘上的“常规”文件时，写入的数据由内核存储在缓冲区中，然后尽快传递到磁盘以提交。当您写入管道时，它会同样进入内核管理的缓冲区，但通常不会进入磁盘。它只是坐在那里，直到被管道的读取端读取为止，此时内核会丢弃它而不是保存它。

   管 Prop 有读取和写入端，因此写入的数据始终位于缓冲区的末尾，而读出的数据则从缓冲区的头部取出，然后删除。因此，水流有严格的顺序，就像在物理管道中一样:首先进入一端的水滴首先从另一端出来。如果远端的水龙头关闭(进程不读取)，那么您无法将更多数据推送(写入)到管道的一端。如果数据没有被写入并且管道为空，则读取时必须等待，直到有更多数据通过。