刨根問底（一）由 Linux 輸入流引發的思考

哪些命令支持輸入流

cat, more, less, head, tail, cut, sort, wc, sed …

哪些命令不支持輸入流

ls, pwd, cd …

什么是輸入流

輸入流就是標準輸入，在 C 程式里習慣記為 STDIN_FILENO，

/* Standard file descriptors.  */
#define	STDIN_FILENO	0	/* Standard input.  */
#define	STDOUT_FILENO	1	/* Standard output.  */
#define	STDERR_FILENO	2	/* Standard error output.  */

疑問

命令還有這區別？平時沒怎么注意過，什么叫做支持輸入流，什么叫做不支持輸入流呢？答案就是這個命令能不能夠從標準輸入讀取資料，能就是支持輸入流，不能就是不支持輸入流，

例如：

支持輸入流：cat

$ cat
hello
hello

我們在命令列輸入 cat 回車，cat 行程就開始從標準輸入讀取資料，讀不到就阻塞，我們從標準輸入（這里是鍵盤設備）輸入 hello 回車，cat 行程就從標準輸入讀取 hello 并輸入到標準輸出上（這里是螢屏設備），

相反，
不支持輸入流：ls

$ ls
bin    dev   lib    libx32      mnt   root  snap      sys  var
boot   etc   lib32  lost+found  opt   run   srv       tmp
cdrom  home  lib64  media       proc  sbin  swapfile  usr

我們輸入 ls 回車，它不會企圖從標準輸入讀入內容，就算我們嘗試給它一個輸入，如：

$ echo "hello" | ls
bin    dev   lib    libx32      mnt   root  snap      sys  var
boot   etc   lib32  lost+found  opt   run   srv       tmp
cdrom  home  lib64  media       proc  sbin  swapfile  usr

ls 也是非常高冷地忽視，不接受標準輸入的內容，

背后的原理

cat, ls 差異背后的原理是什么呢？最好的探索辦法就是看原始碼

cat.c 部分代碼

FILE *bb_wfopen_input(const char *filename)
{
	FILE *fp = stdin;

	if ((filename != bb_msg_standard_input)
		&& filename[0] && ((filename[0] != '-') || filename[1])
	) {
#if 0
		/* This check shouldn't be necessary for linux, but is left
		 * here disabled just in case. */
		struct stat stat_buf;
		if (is_directory(filename, 1, &stat_buf)) {
			bb_error_msg("%s: Is a directory", filename);
			return NULL;
		}
#endif
		fp = bb_wfopen(filename, "r");
	}

	return fp;
}

可以看到，cat 先判斷有沒有輸入檔案名，輸入了就打開此檔案，沒輸入檔案名就默認打開標準輸入，這就是為什么我們在命令列輸入 cat 直接回車，cat 會從標準輸入讀取內容的原因了，

再來看 ls.c

extern int ls_main(int argc, char **argv)
{
	ac = argc - optind;	/* how many cmd line args are left */
	if (ac < 1) {
		av = (char **) xcalloc((size_t) 1, (size_t) (sizeof(char *)));
		av[0] = bb_xstrdup(".");
		ac = 1;
	} else {
		av = (char **) xcalloc((size_t) ac, (size_t) (sizeof(char *)));
		for (oi = 0; oi < ac; oi++) {
			av[oi] = argv[optind++];	/* copy pointer to real cmd line arg */
		}
	}

	/* now, everything is in the av array */
	if (ac > 1)
		all_fmt |= DISP_DIRNAME;	/* 2 or more items? label directories */

	/* stuff the command line file names into an dnode array */
	dn = NULL;
	for (oi = 0; oi < ac; oi++) {
		char *fullname = bb_xstrdup(av[oi]);

		cur = my_stat(fullname, fullname);
		if (!cur)
			continue;
		cur->next = dn;
		dn = cur;
		nfiles++;
	}
...
}

ls 只處理了命令列引數，并沒有讀取標準輸入，

小有結論

至此，命令支不支持輸入流的問題已小有結論，就看它有沒有去處理 stdin，

波瀾再生

又有個疑問冒出來了：行程的 標準輸入、標準輸出、標準錯誤 哪來的？

write(1, "test\n", sizeof("test\n"));

為什么這行代碼就能向標準輸出列印 test ？標準輸出 “1” 來自于哪里？

找到答案

按慣例，每當運行一個新程式時，所有的 shell 都為其打開三個檔案描述符：標準輸入(standard input)、標準輸出(standard output) 以及標準錯誤(standard error)，如果像簡單命令 ls 那樣沒有做什么特殊處理，則這三個描述符都鏈向終端，

—— 《UNIX 環境高級編程 第3版》

所以說，行程的 標準輸入、標準輸出、標準錯誤 來自于 shell，

繼續追問

那 shell 是怎么把 標準輸入、標準輸出、標準錯誤 給到行程的呢？shell 自身的 標準輸入、標準輸出、標準錯誤 又是源自于哪里呢？

shell 的實施原理

回答上面兩個問題前，我們先了解以下 shell 的基本實施，請參考 《35 行代碼實作一個簡單的 shell》

對于問題一，我的理解：

子行程（我們在 shell 中運行的用戶程式）是被 shell fork() + execlp() 出來的，在 fork 程序中，子行程獲得了和父行程一模一樣的資源，其中就包括 標準輸入、標準輸出、標準錯誤 ，而 execlp 只是替換行程，行程所處的環境沒有變，所以 execlp 替換的新行程依然享有被替換的程式所擁有的 標準輸入、標準輸出、標準錯誤(經過實驗驗證了：父行程中關掉標準輸出，子行程也找不到標準輸出了，但是沒找到理論依據)，

對于問題二，我的理解：

shell 行程是被 1 號祖先行程 init 克隆出來的，自然能夠從 init 行程獲取 標準輸入、標準輸出、標準錯誤；而 init 行程又是從 kernel 中獲取到它們的，

以下就是我目前的理解框圖：

思路清晰度

0.7

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