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浅谈 awk 中管道的用法

news 2025/7/18 7:45:03

把“文本”变成“进程”，再把“进程”变回“文本”，只用一条 awk 语句。

1 为什么需要管道

awk 本身是一门面向“行”的语言，默认逐行读取输入。
但在实际脚本里，我们经常需要：

把当前行送给外部命令（rev、sort、grep、sqlite …）
读取外部命令的输出做后续计算
与系统工具链协同，而不用离开 awk 进程

这些需求靠“管道”完成，awk 提供了两条路：
a) 隐式管道（print | cmd / cmd | getline）
b) 显式 system()（一次性执行）

两者对比如下表：

需求	用 system()	用隐式管道
启动一次外部命令	✅	✅
持续读写数据流	❌	✅
避免多余 /bin/sh	❌	✅
及时 flush/close	手动	自动+手动

不难看出，隐式管道更轻量、更可控，这也是本文的重点。

2 awk 管道的三种语法形态

以下语法基于 POSIX 标准，适用于主流 awk 实现（gawk、mawk、nawk）。

2.1 输出型管道：把 awk 的数据喂给外部进程

print [items] | "shell-cmd"
printf fmt, items | "shell-cmd"

2.2 输入型管道：把外部进程的输出读进 awk

"shell-cmd" | getline          # 读到 $0, NF, NR 被更新
"shell-cmd" | getline var      # 只读到变量 var

2.3 双工型：同时读写（高级用法，gawk 扩展）

"coprocess" |& print ...      # 写到协程
"coprocess" |& getline ...    # 从协程读

（本文不展开）

对比

形式	流向	说明
`print items	“shell-cmd”`	awk → 外部
`“shell-cmd”	getline`	外部 → awk
`“shell-cmd”	getline var`	外部 → awk
`“coproc”	& getline`	双向

3 实战 10 连击

以下是 10 个精心设计的实战案例，覆盖从简单到复杂的场景，展示 awk 管道的灵活性和强大功能。

3.1 奇偶行反转

awk 'NR%2 {print | "rev"; close("rev"); next} 1' file

说明：奇数行通过 rev 反转字符顺序，偶数行保持不变。close("rev") 确保每次调用后关闭管道，避免资源泄漏。

3.2 实时 DNS 解析

awk '{ cmd="dig +short " $1; cmd | getline ip; close(cmd); print $1, ip }' access.log

说明：从 access.log 中提取域名，通过 dig 获取 IP 地址并输出。close(cmd) 防止管道堆积。

3.3 每 1000 行排序一次

{buf = buf $0 "\n"
}
NR % 1000 == 0 {print buf | "sort"close("sort")buf = ""
}
END {if (buf) { print buf | "sort"; close("sort") }
}

说明：累积 1000 行数据后通过 sort 排序输出，END 块处理剩余不足 1000 行的数据。

3.4 HMAC-SHA256 每行计算

awk -v k='secret' '{cmd = "openssl dgst -sha256 -hmac " kprintf "%s", $0 | cmdclose(cmd)cmd | getline hclose(cmd)print $0 " -> " h
}' input.txt

说明：为每行文本计算 HMAC-SHA256 签名，适合校验数据完整性。

3.5 并行 8 路任务

BEGIN {for (i=1; i<=8; i++) print i | "xargs -P8 -I{} sh -c '\''sleep {}; echo {} done'\''"
}

说明：启动 8 个并行任务，模拟并发处理场景，适合批量任务调度。

3.6 持续读取 ps 输出

BEGIN {while ("ps -eo pid,pcpu --no-headers" | getline) cpu[$1] = $2for (pid in cpu) print pid, cpu[pid]
}

说明：实时监控进程的 CPU 使用率，存储在数组中并输出。

3.7 并发 curl 下载

{cmd = "curl -s " $1cmd | getline bodyclose(cmd)print $1, length(body)
}' urls.txt

说明：从 urls.txt 读取 URL，逐行调用 curl 下载内容并输出长度。

3.8 AWK 作为 Kafka Producer

awk '{ print $0 | "kcat -b broker:9092 -t topic" }' app.log

说明：将日志实时发送到 Kafka 的指定主题，适合日志流处理。

3.9 交互式 bc 计算器

BEGIN {cmd = "bc -l"for (i=1; i<=5; i++) {print i "/3" | cmdcmd | getline ansprint i, "÷ 3 =", ans}close(cmd)
}

说明：与 bc 交互，计算 1 到 5 除以 3 的结果，展示管道的双向交互能力。

3.10 动态 JSON 解析与统计

{cmd = "jq -c '{ts: .timestamp, code: .status}'"print $0 | cmdcmd | getline jsonclose(cmd)print json
}' app.log

说明：将日志行通过 jq 解析为 JSON 格式，提取 timestamp 和 status 字段，适合实时日志处理。

4 getline 返回值与错误处理

getline 的返回值需特别注意：

返回值	含义
1	成功读取一行
0	文件末尾（EOF）
-1	系统错误（如命令失败）
-2	中断（如管道被关闭）

稳健模板：

if (("cmd" | getline var) <= 0) {print "Error: Failed to execute cmd" > "/dev/stderr"next
}

优化建议：

总是检查 getline 返回值，避免因命令失败导致逻辑错误。
使用 close(cmd) 及时关闭管道，释放资源。

5 Shell 元字符逃逸

外部命令中可能包含危险字符，需妥善处理：

字符	风险	解决方法
空格	参数拆分	`"\"" $0 "\""`
`\`, `$`, `"`	被 shell 解析	`sprintf("%q", $0)`
NULL 字节	命令截断	使用 `base64` 编码

安全示例：在 /etc/passwd 中搜索用户输入：

cmd = "grep -F -- " sprintf("%q", $0) " /etc/passwd"
cmd | getline result
close(cmd)
print result

6 性能与死锁

6.1 常见问题与解决

问题	现象	解决方法
Fork 风暴	过多子进程耗尽 `ulimit`	批量处理后统一 `close()`
缓冲死锁	脚本挂起	使用 `fflush("")` 或 `close()`
行缓冲延迟	实时性差	使用 `stdbuf -oL cmd` 或 `unbuffer`

6.2 优化技巧

减少管道创建：缓存多行数据后一次性送往外部命令（如案例 3.3）。
异步处理：对于高并发场景，使用 xargs -P 或后台进程（cmd &）。
缓冲管理：显式调用 fflush("") 确保数据及时送达外部命令。

示例：优化高频管道调用

{buf = buf $0 "\n"if (++count % 100 == 0) {print buf | "grep pattern"close("grep pattern")buf = ""}
}
END {if (buf) { print buf | "grep pattern"; close("grep pattern") }
}

7 底层实现（gawk 9.x）

了解 awk 管道的底层机制有助于调试和优化：

解析阶段：
- print | "cmd" 解析为 N_POPEN 节点。
- "cmd" | getline 解析为 N_GETLINE 节点。
运行阶段：
- 调用 popen("cmd", mode)，触发 fork() 和 pipe()，最终通过 execve("/bin/sh", "-c", "cmd") 执行命令。
资源回收：
- pclose(fd) 调用 waitpid()，清理子进程并移除 IO 表条目。
双工管道（coproc）：
- 使用 socketpair() 和 dup2() 实现双向通信。