美是有目共睹的。Unix之美，稍微體會(huì)，便能得到。
1969年，Unix初始，沒(méi)有fork，沒(méi)有exec，沒(méi)有pipe，沒(méi)有 “一切皆文件” ，但是那時(shí)它已經(jīng)是Unix了。它簡(jiǎn)單，可塑。
Melvin Conway在1963年的論文中敘述fork思想時(shí)就解釋說(shuō)并行路徑要用結(jié)果來(lái)交互，也就是在匯合的join點(diǎn)來(lái)同步結(jié)果。這個(gè)同步點(diǎn)所得到的，就是一個(gè)并行進(jìn)程的 輸出 。
在此之外，Unix還有另一個(gè)原則，就是 組合小程序！
Unix把一系列功能單一的小程序組合成一個(gè)復(fù)雜的邏輯，這個(gè)原則有以下優(yōu)勢(shì)：
- 每一個(gè)小程序都很容易編寫。
- 每一個(gè)小程序可以分別完成。
- 每一個(gè)小程序可以分別迭代修復(fù)。
- 多個(gè)小程序可以自由組合。
- …
這是典型的模塊化思想，小到統(tǒng)籌佐餐燒飯，大到組成生命的嘌呤嘧啶，都不自覺(jué)地和這種模塊化思想相契機(jī)，原來(lái)這就是真理。 程序盡量小，只做一件事并且做好它。
Unix程序在自身的邏輯之外對(duì)外暴露的只有輸入和輸出。那么 用輸出連接另一個(gè)程序輸入 就是一種好的方法。所謂Conway的join點(diǎn)對(duì)于Unix進(jìn)程指的就是輸出。
對(duì)外暴露的越少，程序越內(nèi)聚。這是一種范式，類似RISC處理器也是抽象出僅有的load和store來(lái)和內(nèi)存交互。
簡(jiǎn)單來(lái)講，Unix程序通過(guò)輸入和輸出來(lái)彼此連接。下面是一幅來(lái)自Wiki的圖示：
詳見(jiàn)Pipeline (Unix)：
https://en.wikipedia.org/wiki/Pipeline_(Unix)
Unix的另一個(gè)原則，即著名的 “一切皆文件！” 連接輸出和輸入的那個(gè)管道在Unix中被實(shí)現(xiàn)為Pipe，顯然，它也是文件，一個(gè)FIFO文件。
說(shuō)實(shí)話，協(xié)作幾個(gè)小程序形成一個(gè)大邏輯的思想還是來(lái)自于Convey，在Convey的論文里，他稱為 協(xié)程， Pile可以說(shuō)是直接實(shí)現(xiàn)了 Convey協(xié)程 之間的交互。有關(guān)這段歷史，請(qǐng)看：
http://www.softpanorama.org/Scripting/Piporama/history.shtml
用Pipe連接作為輸出和輸入連接Unix進(jìn)程可以做成什么事情呢？讓我們?nèi)ジ惺芤粋€(gè)再熟悉不過(guò)的實(shí)例，即數(shù)學(xué)式子：
我們把運(yùn)算符加號(hào)，乘號(hào)，除號(hào)(暫不考慮括號(hào)，稍后解釋為什么)這些看作是程序(事實(shí)上它們也真的是)，那么類似數(shù)字3，5，7，6就是這些程序的輸入了，這個(gè)式子最終需要一個(gè)輸出，獲得這個(gè)輸出的過(guò)程如下：
- 數(shù)字3，5是加號(hào)程序的輸入，3+5執(zhí)行，它獲得輸出8.
- 第1步中的輸出8連同數(shù)字7作為乘號(hào)程序的輸入，8 × 7執(zhí)行，獲得輸出56.
- 第2步中的輸出56連同數(shù)字6作為除號(hào)的輸入，…
這個(gè)數(shù)學(xué)式子的求值過(guò)程和pipe連接的Unix程序組合獲得最終結(jié)果的過(guò)程完全一致。
如果你相信數(shù)學(xué)可以描述整個(gè)世界，那么Pipe連同Unix程序同樣是描述這個(gè)世界的語(yǔ)言 。
在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，程序 就是所有的運(yùn)算符，加號(hào)，減號(hào)，乘號(hào)，除號(hào)，乘方，開(kāi)方，求和，積分，求導(dǎo)…它們無(wú)一例外， 只做一件事。
在Unix看來(lái)也同樣。它做的事情和下面的應(yīng)該差不多，而且更多：
寫出上面的式子中每一個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)算符的程序并不困難，比如加號(hào)程序：
// plus.c
#include <stdio.h>
int main(int argc, char **argv)
{
int a, b;
a = atoi(argv[1]);
b = atoi(argv[2]);
a = a + b;
printf("%dn", a);
}
同樣，我們可以寫出除法，直到偏導(dǎo)的程序。然后我們通過(guò)pipe就能將它們組合成任意的數(shù)學(xué)式子。
現(xiàn)在談?wù)刄nix組合程序的具體寫法，如果我們要化簡(jiǎn)薛定諤方程，我們應(yīng)該如何用Unix命令寫出與上述式子等價(jià)的組合程序命令行呢？我們無(wú)法像數(shù)學(xué)家手寫那樣隨意使用括號(hào)，顯然，計(jì)算機(jī)并不認(rèn)識(shí)它。我們能夠使用的只有兩個(gè)符號(hào)：
- 代表具體Unix小程序的命令。
- Pipe符號(hào)"|"。
換句話說(shuō)，我們需要寫出一個(gè) 鏈?zhǔn)浇M合表達(dá)式。 這時(shí)就要用到前綴表達(dá)式了。
數(shù)學(xué)式子里的括號(hào)，其實(shí)它無(wú)關(guān)緊要，括號(hào)只是給人看的，它規(guī)定一些運(yùn)算的優(yōu)先級(jí)順序，這叫 中綴表達(dá)式 ，一個(gè)中綴表達(dá)式可以輕松被轉(zhuǎn)換為 前綴表達(dá)式，后綴表達(dá)式 ，從而消除括號(hào)。事實(shí)上，Unix的Pipe最初也面臨過(guò)這樣的問(wèn)題，到底是中綴好呢，還是前/后綴好呢？
我們現(xiàn)在使用的Unix/linux命令，以cp舉例：
cp $in $out
這是一個(gè)典型的前綴表達(dá)式，但是當(dāng)pipe的發(fā)明者M(jìn)cIlroy最初引入pipe試圖組合各個(gè)程序時(shí)，最初上面的命令行被建議成：
$in cp $out
就像我們的(3 + 5) × 8 一樣。但是這非常不適合計(jì)算機(jī)處理的風(fēng)格，計(jì)算機(jī)不得不首先掃描解析這個(gè)式子，試圖：
- 理解 “括號(hào)括起來(lái)的要優(yōu)先處理” 這句復(fù)雜的話；
- 區(qū)分哪些是輸入，哪些是操作符…
對(duì)于式子(3 + 5) × 8 的求值，計(jì)算機(jī)更適合用一種在簡(jiǎn)單規(guī)則下非常直接的方式去 順序執(zhí)行求解，這就是前綴表達(dá)式的優(yōu)勢(shì)。
× 8 + 35就是(3 + 5) × 8 的前綴表達(dá)式，可以看到，沒(méi)有了括號(hào)。對(duì)于pipe組合程序而言，同樣適用于這個(gè)原則。于是前綴命令成了pipe組合命令的首選，現(xiàn)如今，我們可以用：
pro1 $stdin|pro2|pro3|pro4|...|proX $stdout
輕松組合成任意復(fù)雜的邏輯。
Pipe協(xié)同組合程序的Unix原則是一個(gè)創(chuàng)舉，程序就是一個(gè)加工過(guò)濾器，它把一系列的輸入經(jīng)過(guò)自己的程序邏輯生成了一系列的輸出，該輸出又可以作為其它程序的輸入。
在Unix/Linux中，各種shell本身就實(shí)現(xiàn)了這樣的功能，但是為了徹底理解這種處理方式的本質(zhì)，只能自己寫一個(gè)才行。來(lái)寫一個(gè)微小的shell吧。
再次看上面提到的Unix Pipe的處理序列：
pro1 $stdin|pro2|pro3|pro4|...|proX $stdout
如果讓一個(gè)shell處理以上組合命令，要想代碼量少，典型方案就是遞歸，然后用Pipe把這些遞歸調(diào)用過(guò)程給串起來(lái)，基本邏輯如下：
int exec_cmd(CMD *cmd, PIPE pipe)
{
// 持續(xù)解析命令行，以pipe符號(hào)|分割每一個(gè)命令
while (cmd->next) {
PIPE pp = pipe_create();
if (fork() > 0) {
// 父進(jìn)程遞歸解析下一個(gè)
exec_cmd(cmd->next, pp);
return 0;
}
// 子進(jìn)程執(zhí)行
dup_in_out(pp);
exec(cmd->cmdline);
}
if (fork() > 0) {
wait_all_child();
return 0;
} else {
dup_in_out(pp);
exec(cmd->cmdline);
}
}
按照上面的思路實(shí)現(xiàn)出來(lái)，大概60行左右代碼就可以：
// tinysh.c
// gcc tinysh.c -o tinysh
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#define CMD_BUF_LEN 512
char cmd[CMD_BUF_LEN] = {0};
void fork_and_exec(char *cmd, int pin, int pout)
{
if (fork() == 0) {
if (pin != -1) {
dup2 (pin, 0);
close(pin);
}
if (pout != -1) {
dup2 (pout, 1);
close(pout);
}
system(cmd);
exit(0);
}
if (pin != -1)
close(pin);
if (pout != -1)
close(pout);
}
int execute_cmd(char *cmd, int in)
{
int status;
char *p = cmd;
int pipefd[2];
while (*p) {
switch (*p) {
case '|':
*p++ = 0;
pipe(pipefd);
fork_and_exec(cmd, in, pipefd[1]);
execute_cmd(p, pipefd[0]);
return 0;
default:
p++;
}
}
fork_and_exec(cmd, in, -1);
while(waitpid(-1, &status, WNOHANG) != -1);
return 0;
}
int main(int argc, char **argv)
{
while (1) {
printf("tiny sh>>");
gets(cmd);
if (!strcmp(cmd, "q")) {
exit(0);
} else {
execute_cmd(cmd, -1);
}
}
return 0;
}
下面是執(zhí)行tinysh的結(jié)果：
[root@10 test]# ls -l 總用量 28 -rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 a -rwxr-xr-x 1 root root 9000 9月 1 05:38 a.out -rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 b -rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 c -rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 d -rw-r--r-- 1 root root 0 9月 1 05:39 e -rwxr-xr-x 1 root root 9000 9月 1 05:38 tinysh -rw-r--r-- 1 root root 1167 9月 1 05:38 tinysh.c [root@10 test]# ./tinysh tiny sh>>ls -l |wc -l 9 tiny sh>>cat /etc/inittab |grep init # inittab is no longer used when using systemd. tiny sh>>cat /etc/inittab |grep init|wc -l 1 tiny sh>>q [root@10 test]#
遞歸解析的過(guò)程中fork/exec，一氣呵成，這就是一個(gè)最簡(jiǎn)單shell實(shí)現(xiàn)。它可完成組合程序的執(zhí)行并給出結(jié)果。
這個(gè)tiny shell命令解析器的邏輯可以表示如下：
現(xiàn)在，讓我們用上面的tiny shell來(lái)實(shí)現(xiàn)式子
的計(jì)算，我需要寫表示四則混合運(yùn)算符的Unix程序，首先看加號(hào)運(yùn)算符程序，將上文中plus.c改成從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀取加數(shù)即可：
// plus.c
// gcc plus.c -o plus
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char **argv)
{
float a, b;
a = atof(argv[1]);
scanf("%f", &b);
b = b + a;
printf("%fn", b);
}
再看減法運(yùn)算符程序代碼：
// sub.c
// gcc sub.c -o sub
#include <stdio.h>
#include <stdio.h>
int main(int argc, char **argv)
{
float a, b;
a = atof(argv[1]);
scanf("%f", &b);
b = b - a;
printf("%fn", b);
}
接下來(lái)是乘法和除法的代碼：
// times.c
// gcc times.c -o times
#include <stdio.h>
#include <stdio.h>
int main(int argc, char **argv)
{
float a, b;
a = atof(argv[1]);
scanf("%f", &b);
b = b*a;
printf("%fn", b);
}
// div.c
// gcc div.c -o div
#include <stdio.h>
#include <stdio.h>
int main(int argc, char **argv)
{
int a, b;
a = atof(argv[1]);
scanf("%d", &b);
b = b/a;
printf("%dn", b);
}
可以看到，這些都是非常簡(jiǎn)單的程序，但是任意組合它們便可以實(shí)現(xiàn)任意四則運(yùn)算，我們看看
這個(gè)如何組合。
首先在標(biāo)準(zhǔn)的Linux bash中我們?cè)囈幌拢?/p>
[root@10 test]# ./plus 5|./times 7|./sub 20|./div 6 3 6.000000 [root@10 test]#
計(jì)算結(jié)果顯然是正確的。現(xiàn)在我在自己實(shí)現(xiàn)的tinysh中去做類似的事情：
[root@10 test]# ./tinysh tiny sh>>./plus 5|./times 7|./sub 20|./div 6 3 6.000000 tiny sh>>q [root@10 test]#
可以看到，tinysh的行為和標(biāo)準(zhǔn)Linux bash的行為是一致的。
簡(jiǎn)單吧，簡(jiǎn)單！無(wú)聊吧，無(wú)聊！Pipe連接了若干小程序，每一個(gè)小程序只做一件事。
如果我們的系統(tǒng)中沒(méi)有任何shell程序，比如我們沒(méi)有bash，我們只有tinysh，加上以上這4個(gè)程序，一共5個(gè)程序，就可以完成任意算式的四則混合運(yùn)算。
現(xiàn)在我們用以上的組合Unix程序的方法試試計(jì)算下面的式子：
根號(hào)怎么辦？
按照非Unix的編程風(fēng)格，就要在程序里寫函數(shù)計(jì)算開(kāi)根號(hào)，但是用Unix的風(fēng)格，則只需要再加個(gè)開(kāi)根號(hào)的程序即可：
// sqrt.c
// gcc sqrt.c -lm -o sqrt
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
float b;
scanf("%f", &b);
b = sqrt(b);
printf("%fn", b);
}
有了這個(gè)開(kāi)根號(hào)的程序，結(jié)合已經(jīng)有的四則運(yùn)算程序，讓我們的tinysh用pipe將它們串起來(lái)，就成了。好了，現(xiàn)在讓我們計(jì)算上面的式子：
./tinysh tiny sh>>./sqrt |./plus 3|./div 2 9 3.000000 tiny sh>>q
本文該結(jié)束了，后面要寫的應(yīng)該就是關(guān)于經(jīng)典Unix IPC的內(nèi)容了，是的，自從Pipe之后，Unix便開(kāi)啟了IPC，System V開(kāi)始稱為標(biāo)準(zhǔn)并持續(xù)引領(lǐng)著未來(lái)，但這是另一篇文章的話題了。
最后，來(lái)自Unix初創(chuàng)者之一Dennis M. Ritchie關(guān)于Unix的滿滿回憶，非常感人：
原文來(lái)自 The Evolution of the Unix Time-sharing System ：http://www.read.seas.harvard.edu/~kohler/class/aosref/ritchie84evolution.pdf
