unix系统的重定向

请描述命令 ls -l | grep ".txt"在执行时，Shell是如何为 ls和 grep两个进程设置文件描述符的？特别是，管道两端的进程如何做到一个写、一个读？

答案与解释：

1. 创建管道：Shell首先调用 pipe(int pipefd[2])系统调用。这个调用创建一条内核缓冲区管道，并返回两个文件描述符：pipefd[0]（读端）和 pipefd[1]（写端）。
2. 为 ls进程设置输出：Shell fork()出第一个子进程（ls），在这个子进程中，调用 dup2(pipefd[1], STDOUT_FILENO)，将 ls的标准输出（1）重定向到管道的写端。然后关闭 pipefd[0]和 pipefd[1]（原始的），最后 exec("ls", "-l", NULL)。
3. 为 grep进程设置输入：Shell再次 fork()出第二个子进程（grep），在这个子进程中，调用 dup2(pipefd[0], STDIN_FILENO)，将 grep的标准输入（0）重定向到管道的读端。然后关闭 pipefd[0]和 pipefd[1]，最后 exec("grep", ".txt", NULL)。
4. Shell父进程：关闭它自己持有的 pipefd[0]和 pipefd[1]。
5. 协作：当 ls开始运行时，它向文件描述符1（它以为是屏幕）写入数据，实际上数据被送入内核的管道缓冲区。当 grep开始运行时，它从文件描述符0（它以为是键盘）读取数据，实际上是从同一个管道缓冲区读取 ls写入的数据。操作系统内核的管道缓冲区自动处理了进程间的同步和通信，如果缓冲区满，ls的 write会被阻塞；如果缓冲区空，grep的 read会被阻塞。

这个机制完美体现了Unix的模块化思想：ls和 grep这两个完全独立、对彼此一无所知的程序，通过Shell和操作系统提供的重定向/管道机制，无缝地串联起来，完成了一个更复杂的任务。

总结

重定向是操作系统赋予Shell的强大能力，它通过对进程文件描述符表的“幕后操作”，实现了程序I/O源的灵活切换。这种设计让简单的程序（如你的I/O复制器）具备了惊人的通用性，也让命令行界面成为一个极其高效和强大的编程环境。理解重定向，是理解Unix/Linux系统设计和Shell编程精髓的关键一步。