Shell 管道及執行順序分析

1、基本概念
a、I/O重新導向通常與 FD有關，shell的FD通常為10個，即 0～9；
b、常用FD有3個，為0（stdin，標準輸入）、1（stdout，標準輸出）、2（stderr，標準錯誤輸出），預設與keyboard、monitor、monitor有關；
c、用 < 來改變讀進的資料通道(stdin)，使之從指定的檔案讀進；
d、用 > 來改變送出的資料通道(stdout, stderr)，使之輸出到指定的檔案；
e、0 是 < 的預設值，因此 < 與 0<是一樣的；同理，> 與 1> 是一樣的；
f、在IO重新導向 中，stdout 與 stderr 的管道會先準備好，才會從 stdin 讀進資料；
g、管道“|”(pipe line):上一個命令的 stdout 接到下一個命令的 stdin;
h、tee 命令是在不影響原本 I/O 的情況下，將 stdout 複製一份到檔案去;
i、bash（ksh）執行命令的過程：分析命令－變數求值－命令替代（``和$( )）－重新導向－萬用字元展開－確定路徑－執行命令；
j、( ) 將 command group 置於 sub-shell 去執行，也稱 nested sub-shell，它有一點非常重要的特性是：繼承父shell的Standard input, output, and error plus any other open file descriptors。
k、exec 命令：常用來替代當前 shell 並重新啟動一個 shell，換句話說，並沒有啟動子 shell。使用這一命令時任何現有環境都將會被清除，。exec 在對檔案描述符進行操作的時候，也只有在這時，exec 不會覆蓋你當前的 shell 環境。

2、基本IO
cmd > file 把 stdout 重新導向到 file 檔案中
cmd >> file 把 stdout 重新導向到 file 檔案中(追加)
cmd 1> fiel 把 stdout 重新導向到 file 檔案中
cmd > file 2>&1 把 stdout 和 stderr 一起重新導向到 file 檔案中
cmd 2> file 把 stderr 重新導向到 file 檔案中
cmd 2>> file 把 stderr 重新導向到 file 檔案中(追加)
cmd >> file 2>&1 把 stderr 和 stderr 一起重新導向到 file 檔案中
cmd < file >file2 cmd 命令以 file 檔案作為 stdin，以 file2 檔案作為 stdout
cat <>file 以讀寫的方式開啟 file
cmd < file cmd 命令以 file 檔案作為 stdin
cmd << delimiter Here document，從 stdin 中讀入，直至遇到delimiter 分界符

3、進階IO
>&n 使用系統調用 dup (2) 複製檔案描述符 n 並把結果用作標準輸出
<&n 標準輸入複製自檔案描述符 n
<&- 關閉標準輸入（鍵盤）
>&- 關閉標準輸出
n<&- 表示將 n 號輸入關閉
n>&- 表示將 n 號輸出關閉
上述所有形式都可以前置一個數字，此時建立的檔案描述符由這個數字指定而不是預設的 0 或 1。如：
... 2>file 運行一個命令並把錯誤輸出(檔案描述符 2)定向到 file。
... 2>&1 運行一個命令並把它的標準輸出和輸出合并。(嚴格的說是通過複製檔案描述符 1 來建立檔案描述符 2 ，但效果通常是合并了兩個流。)

2>&1說明：2>&1 也就是 FD2＝FD1 ，這裡並不是說FD2 的值 等於FD1的值，因為 > 是改變送出的資料通道，通俗的說是：把stderr併到stdout。
但使用類似 cmd 1>&3 這樣的形式時，原理相同，但往往不同於 2>&1 和 1>&2 通常用來合并的作用。

注意：普通cmd命令的cmd n>&n 和exec n>&n 是有區別的。

exec 0 exec 1>outfilename # 開啟檔案outfilename作為stdout
exec 2>errfilename # 開啟檔案 errfilename作為 stderr
exec 0<&- # 關閉 FD0
exec 1>&- # 關閉 FD1
exec 5>&- # 關閉 FD5

問：
如果關閉了 FD0、FD1、FD2，其後果是什嗎？
恢複 FD0、FD1、FD2與 關閉FD0、FD1、FD2 有什麼區別？代碼分別是什嗎？
開啟了FD3～FD9，我們用完之後，你覺得是將他們關閉還是恢複？

下面是提示（例子來源於CU）：
exec 6>&2 2>ver # FD2(本來往monitor送的) 定向到檔案ver
command >>dev/null & #丟棄FD1(stdout)
exec 2>&6 # 恢複 FD2

4、簡單舉例（其中 yes.txt存在，no.txt不存在）
a、stdout 和stderr 都通過管道送給egrep了：
(ls yes.txt 2>&1;ls no.txt 2>&1) 2>&1|egrep \* >file
(ls yes.txt;ls no.txt) 2>&1|egrep \* >file

###
這個例子就是讓大家：理解 命令執行順序 和 管道“|”
在命令執行前，先要進行重新導向的處理，並將把 nested sub-shell 的stdout 接到 egrep 命令的 stdin。
nested sub-shell ，在 ( ) 中的兩個命令可以看作一個命令。其 stdout(FD1) 通過 “|” 作為 egrep 的 stdin，再加上 2>&1 時，初始 stdout 和 stderr 都往管道 “|” 送。
###

b、沒有任何東西通過管道送給egrep，全部送往monitor。
(ls yes.txt 2>&1;ls no.txt 2>&1) >&2|egrep \* >file
雖然在（）裡面將 FD2轉往FD1，但在（）外，遇到 >&2 ，結果所有的都送到monitor。

5、中階例子（其中 you 這個檔案是存在的，no 和 wu 這兩個檔案不存在）
r2007兄的：http://bbs.chinaunix.net/forum/viewtopic.php?t=221848&show_type=new&sid=cf30398c911e0d2b16313c6922123f67

條件：stderr通過管道送給egrep，正確訊息仍然送給monitor（不變）

exec 4>&1;(ls you no 2>&1 1>&4 4>&-;ls wu 2>&1 1>&4 4>&-)|egrep \* >file;exec 4>&-
或者
exec 4>&1;(ls you no;ls wu) 2>&1 1>&4 4>&-|egrep \* >file;exec 4>&-

r2007 兄在其貼已有詳細說明，如果加兩個條件：
（1）要求cmd1和cmd2並行運行；
（2）將cmd1的傳回值賦給變數 ss。

則為：
exec 3>&1;exec 4>&1
ss=$(((ls you no 2>&1 1>&3 3>&-;echo $? >&4)|egrep \* >file) 4>&1)
exec 3>&-;exec 4>&-

說明：
exec 3>&1;4>&1
### 建立FD3，是用來將下面ls那條語句（子shell）中的FD1 恢複到正常FD1，即輸出到monitor，你可以把FD3看作最初始的FD1的硬碟備份（即輸出到monitor）；
### 建立FD4，到時用作儲存ls的傳回值（echo $?），你可以將FD4看作你考試時用於存放計算“echo $?”的草稿紙；

(ls you no 2>&1 1>&3 3>&-;echo $? >&4)
### 大家還記得前面說的子shell和管道吧。這條命令首先會繼承FD0、FD1、FD2、FD3、FD4，它位於管道前，所以在運行命令前會先把子shell自己的FD1和管道“|”相連。
但是我們的條件是stderr通過管道送往egrep，stdout仍然輸出到monitor。
於是通過2>&1，先把 子shell的FD1 的管道“送給”FD2，於是子shell中的stderr送往管道“|”；
再通過 1>&3，把以前的“硬碟備份”恢複給子shell的FD1，於是子shell中的FD1變成送到monitor了。
再通過3>&- ，將3關閉；
接著運行echo $? ，本來其輸出值應該送往管道的，通過 >&4 ，將 輸出 送往 “草稿紙”FD4，留以備用。

((ls you no 2>&1 1>&3 3>&-;echo $? >&4)|egrep \* >file)
於是，stderr 通過管道送給 egrep ，stdout 送給monitor，但是，還有 FD4，它送到哪去了？
$(((ls you no 2>&1 1>&3 3>&-;echo $? >&4)|egrep \* >file) 4>&1)
最後的 4>&1 ，就是把FD4 重新導向到 FD1。但由於其輸出在 $( )中，其值就賦給變數ss了。

最後一行關閉 FD3、FD4。

6、高階例子
lightspeed 版主大大的：Shell 經典問題之 [ I/O 重新導向] （http://bbs.chinaunix.net/forum/viewtopic.php?t=452079&show_type=new）
[Q] 對於命令 cmd1, cmd2, cmd3, cmd4. 如何利用單向管道完成下列功能：
1. 所有命令並存執行
2. cmd1 和 cmd2 不需要 stdin
3. cmd1 和 cmd2 的 stdout 定向到 cmd3 的 stdin
4. cmd1 和 cmd2 的 stderr 定向到 cmd4 的 stdin
5. cmd3 的 stdout 定向到檔案 a, stderr 定向到螢幕
6. cmd4 的 stdout 定向到檔案 b, stderr 定向到螢幕
7. cmd1 的返回碼賦給變數 s
8. 不能利用臨時檔案

解決方案：
exec 3>&1; exec 4>&1
my_value=$(((((cmd1 1>&3 ; echo $? >&4 )| cmd2 ) 3>&1 | cmd3 >a 2>&3 ) 2>&1 | cmd4 >b ) 4>&1)
exec 3>&-; exec 4>&-

解釋：
exec 3>&1; exec 4>&1
建立FD3 ，給cmd1恢複其FD1用和給cmd3 恢複其FD2用；
建立FD4，儲存“echo $?”輸出值的“草稿紙”

第一對括弧到第一個管道：(cmd1 1>&3 ; echo $? >&4 )|
cmd1本身沒有stdin，其stdout原要送往第一個管道，由於1>&3的作用，其stdout被送往FD3；而 >&4 的作用實際是將 cmd1 運行後的返回碼送往 FD4。cmd1的stderr預設等待下一步處理。最後，沒有往管道送任何東西；

第二對括弧到第二個管道：((cmd1 1>&3 ; echo $? >&4 )| cmd2) 3>&1|
由於第一個括弧中cmd1的 stdout 被送往 FD3，導致管道左端沒有任何輸入，cmd2 從而就沒有stdin。cmd2 的stdout則為預設的；
將第二對括弧看出一個命令，其所有的stdout送往第二個管道“|”；同時由於3>&1的作用，原先cmd1的stdout在送往FD3 又與cmd2的stdout併到一起，所以cmd1 和 cmd2 的 stdout 都送往第二個管道“|”。而cmd1、cmd2的stderr仍然預設等待下一步處理；

第三對括弧到第三個管道：(((cmd1 1>&3 ; echo $? >&4 )| cmd2 ) 3>&1 | cmd3 >a 2>&3 ) 2>&1|
cmd3 >a 2>&3：cmd3接收處理來自管道的stdin後，其 stdout 送給檔案a，其stderr送往FD3，由於FD3繼承FD1，實際上其stderr是送往monitor。如果沒有“2>&3”，那麼cmd3的stderr就會干擾cmd1和cmd2的錯誤輸出，所以它是必須的;
將第三個括弧裡完全看作一個命令，其stdout送往管道 “|”，由於2>&1，於是stderr也送往著管道。但由於cmd1、cmd2的stdout已經送給了cmd3處理，而cmd3的stdout輸出到檔案a，cmd3的stderr也送往monitor，所以實際上只有cmd1和cmd2的stderr送往管道。

cmd4 >b：cmd4接收處理來自管道的stdin後，其stdout 定向到檔案 b，stderr 預設輸出到monitor。

第四對括弧：( (((cmd1 1>&3 ; echo $? >&4 )| cmd2 ) 3>&1 | cmd3 >a 2>&3 ) 2>&1| cmd4 >b ) 4>&1
四對括弧裡面所有命令的 FD1、FD2都處理完了，但是還有“echo $? >&4”沒處理。“4>&1”的作用就是“將FD4併到stdout”，但由於其他命令的stdout都處理完了，實際上就只有 $? 的值。
又由於 $() 會建立一個管道，輸入端為()內命令，故 $? 的值被賦給變數 my_value。

最後一行是關閉FD3和FD4。
另：恢複重新導向或關閉的stdout：exec 1>&2 ，恢複重新導向或關閉的stderr：exec 2>&1。如果stdout和stderr全部都關閉了，又沒有儲存原來的FD，可以用：exec 1>/dev/tty 恢複。

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我嘗試回答下面的問題。如有錯誤，還請各位前輩指正！

7、在一個互動(Interactive) shell 中, 用 exec 進行 I/O 重新導向.
1）. Stdin, stderr 可以定向到檔案中嗎? 有什麼結果?
a、在互動式shell中，可以將stdin定向到檔案。執行：exec 0 結果為：in 檔案中每一行均會被自動執行，並且在最後會再加執行一個 exit 命令，導致退出（或退回到正常shell下）。
如 in 檔案內容：$ more in
date
read lsp
echo hahha
echo "this is $lsp"

在提示符下執行命令：$ exec 0 $ date
Tue Jan 18 18:29:07 HKT 2005
$ read lsp # 其下面本應有的那句“ echo hahha ”的 “hahaha” 已經被讀入到變數 lsp 中了
$ echo "this is $lsp"
this is echo hahha
$ exit

b、在互動式shell中，可以將stderr定向到檔案。執行：exec 2>err
結果為：命令提示字元PS被屏蔽，輸入的命令也被屏蔽。但是命令執行的結果，如果是stdout 則會回顯到螢幕上，如果是 stderr 則不會回顯到螢幕上。其中，命令提示字元、命令、stderr均會儲存到檔案 err 中。如：
$ exec 2>err
err in out # 執行 ls 命令
Tue Jan 18 18:55:58 HKT 2005 # 執行 date 命令，而後執行了“ ls nofile”，nofile這個檔案不存在
$ # 執行 exit 命令

現在讓我們查看 err檔案：
$ more err
[lsp@ii lsp]$ ls
[lsp@ii lsp]$ date
[lsp@ii lsp]$ ls nofile
ls: nofile: No such file or directory
[lsp@ii lsp]$ exit
exit

c、在互動式shell中，可以將stdout定向到檔案。這個使我們常用到的。就不說了。就是將錯誤的輸出內容定向到檔案中。正確的輸出內容並不受影響。

2）. Stdin, Stderr 可以關閉嗎? 有什麼結果?
在互動式shell中，如果關閉stdin，如：exec 0<&- ，其結果是退出（或退回到正常shell下）。
在互動式shell中，如果關閉stderr，如：exec 2>&- ，狀態同stderr定向到檔案，唯一不同的是沒有儲存下來。
在互動式shell中，如果關閉stdoutr，如：exec 1>&- ，只要執行有stdout或stderr內容送往 monitor 的命令，如ls、date這類命令，均會報錯：“ls: write error: Bad file descriptor”。其他如cd、mkdir、……這類命令不受影響。

3）. 如果 stdin, stdout, stderr 進行了重新導向或關閉, 但沒有儲存原來的 FD, 可以將其恢複到 default 狀態嗎?
*** 如果關閉了stdin，因為會導致退出，那肯定不能恢複。
*** 如果重新導向或關閉 stdout和stderr其中之一，可以恢複，因為他們預設均是送往monitor（但不知會否有其他影響）。如恢複重新導向或關閉的stdout：exec 1>&2 ，恢複重新導向或關閉的stderr：exec 2>&1。
*** 如果stdout和stderr全部都關閉了，又沒有儲存原來的FD，可以用：exec 1>/dev/tty 恢複。

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下面參考了 r2007 兄的回複！謹以致謝！
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8、cmd >a 2>a 和 cmd >a 2>&1 為什麼不同？
cmd >a 2>a ：stdout和stderr都直接送往檔案 a ，a檔案會被開啟兩遍，由此導致stdout和stderr互相覆蓋。
cmd >a 2>&1 ：stdout直接送往檔案a ，stderr是繼承了FD1的管道之後，再被送往檔案a 。a檔案只被開啟一遍，就是FD1將其開啟。

他們的不同點在於：
cmd >a 2>a 相當於使用了FD1、FD2兩個互相競爭使用檔案 a 的管道；
而cmd >a 2>&1 只使用了一個管道FD1，但已經包括了stdout和stderr。
從IO效率上來講，cmd >a 2>&1的效率更高。