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Linux文件描述符及重定向

- 1. 文件描述符
- 2. 文件描述符的本质
- 3. 输出重定向
- 4. 追加重定向
- 5. 标准输出和标准错误的区别
- - 5.1 2>&1

1. 文件描述符

当调用系统接口open的时候会返回一个int类型的数字，这个数字就是文件描述符，这里用fd进行接收，我们来看一看fd的值是多少。

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd=open("test.txt",O_RDONLY);//设置为只读printf("%d\n",fd);return 0;
}

在这里插入图片描述

可以看到，这里打印出来的值是3，那么这个3有什么来头呢？

我们知道，在Linux下，一切皆文件，缓冲区，文件流，可执行程序，全都是文件，这里是3是因为每一个进程默认会先打开标准输入、标准输出、标准错误这三个文件，而这三个文件就占用了0 1 2这三个文件描述符，因此我们重新创建一个文件的时候自然就只能够从3开始了。

那么有什么证据说默认会打开标准输入、标准输出、标准错误这三个文件呢？

这里以C语言为例，C语言的标准输入、标准输出、标准错误这些其实也都是调用了系统的接口，内部也会有一个文件描述符，就是_fileno。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include<fcntl.h>int main()
{umask(0);int fd=open("test.txt",O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND|O_TRUNC,0666);printf("stdin:%d\n",stdin->_fileno);printf("stdout:%d\n",stdout->_fileno);printf("stderr:%d\n",stderr->_fileno);printf("test:%d\n",fd);return 0;
}

在这里插入图片描述

这样就可以确定标准输入、标准输出、标准错误这三个的文件描述符了

标准输入	0
标准输出	1
标准错误	2

那么现在使用文件描述符，将消息打印到屏幕上吧

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>int main()
{char* msg="hello world\n";write(1,msg,strlen(msg));return 0;
}

在这里插入图片描述

可以看到，是可以直接打印在屏幕上的。

同样的，我们也可以通过文件描述符0来接收用户发来的消息。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>int main()
{char msg[1024];ssize_t s=read(0,msg,sizeof(msg));if(s>0){msg[s]='\0';printf("%s",msg);}return 0;
}

在这里插入图片描述

问：为什么这里我只是从文件描述符为0的文件中读取数据，我却要先输入数据才会读取

答：这是因为标准输入通常是行缓冲的，意味着输入不会立即被传递给程序，而是在用户按下回车键时才传递。

2. 文件描述符的本质

前面说到，文件描述符其实是从0开始的，数组下标同样也是从0开始的，那么我们是不是可以猜想一下它就是一个数组的下标。

在这里插入图片描述

其实这个文件描述符fd就是file struct中fd_array[]中的下标，这个数组存储的是一个file*的结构体的地址，这个地址在内存当中，然后再file这个结构体当中存在一个inode值，操作系统就是通过这个inode去磁盘当中拿到文件的，inode在文件系统中会详细讲解。
在这里插入图片描述

补充：即使是外设的驱动程序，它其实也是一个struct file类型的结构体，在内部实现了读写方式，然后操作系统可以通过这个结构体来拿到它的数据。

在C语言中的FILE其实内部也有一个文件描述符

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>int main()
{FILE* fp=fopen("test.txt","w");printf("%d\n",fp->_fileno);return 0;
}

文件描述符的分配规则

从0开始找，如果当前下标没有被使用就是用当前下标作为文件描述符。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>int main()
{close(0);int fd=open("test.txt",O_APPEND|O_CREAT|O_WRONLY,0666);int fd1=open("test1.txt",O_APPEND|O_CREAT|O_WRONLY,0666);printf("%d %d\n",fd,fd1); //0 3return 0;
}

如上代码先关闭了0号文件描述符，因此0号就空出来了，如果这时候open一个文件，那么这个文件的文件描述符就是0，等下一次open文件的时候就会变成3了，因为这时候0 1 2都是已经被用过了的。

3. 输出重定向

输出重定向的原理

输出重定向的原理就是改变原来文件描述符的指向，比如我原来文件描述符1指向的是标准输出流，这时候我把1关闭close(1)，然后这时候打开一个文件来把文件描述符1占用掉，这时候，本来应该打印到显示器当中的内容就会被写入重定向的文件当中了。
但这是为什么呢？因为操作系统它不知道你1号文件描述符已经被其他文件占用了啊，它只知道打印到显示器的时候去找1号文件描述符，因此实现了重定向的功能。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>int main()
{close(1);//关闭标准输出流int fd=open("test.txt",O_WRONLY|O_APPEND|O_TRUNC,0666);if(fd<0){perror("open");return 1;}printf("hello world\n");printf("hello world\n");printf("hello Linux\n");return 0;
}

此时查看test.txt就可以发现本来要输出到屏幕上的内容，此时输入到了该文件中

4. 追加重定向

追加重定向就是不覆盖原来的数据。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>int main()
{close(1);//关闭标准输出流int fd=open("test.txt",O_WRONLY|O_APPEND,0666);if(fd<0){perror("open");return 1;}printf("hello world\n");printf("hello world\n");printf("hello Linux\n");return 0;
}

输入重定向

使用0文件描述符关闭标准输入，用scanf输入查看现象

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{close(0);int fd = open("test.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 1;}char str[40];while (scanf("%s", str) != EOF){printf("%s\n", str);}close(fd);return 0;
}

scanf这次没有等待用户输入任何东西，而是直接把文件描述符0指向的文件的内容全部读取出来了。

5. 标准输出和标准错误的区别

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>int main()
{// stdoutprintf("hello printf\n");fprintf(stdout, "hello fprintf to stdout\n");fputs("hello fputs to stdout\n", stdout);// stderrperror("hello perror");fprintf(stderr, "hello fprintf to stderr\n");fputs("hello fputs to stderr\n", stderr);return 0;
}

在这里插入图片描述

运行结果好像都是一样的啊？当是用重定向的时候，它们之间的区别就提现出来了，加入我关闭了1号文件描述符看看会发生什么呢？

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>int main()
{close(1);// stdoutprintf("hello printf\n");fprintf(stdout, "hello fprintf to stdout\n");fputs("hello fputs to stdout\n", stdout);// stderrperror("hello perror");fprintf(stderr, "hello fprintf to stderr\n");fputs("hello fputs to stderr\n", stderr);return 0;
}

在这里插入图片描述

可以看到，只有标准错误被输出了，标准输出好像没反应了，并且perror也报错了。这是由于标准输出是1号文件描述符，标准错误是2号文件描述符，因此，关闭了1号文件描述符对2号文件描述符没有任何影响。

这样设计是为了区分正常输出和错误输出，但如果我们非要把这两打印到一个文件里怎么办呢？

5.1 2>&1

./myfile >log.txt 2>&1

./io：表示执行io这个程序

>log.txt：表示把执行了程序之后的标准输出重定向到log.txt当中

2>&1：表示2号文件描述符重定向到1号文件描述符

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>int main()
{// stdoutprintf("hello printf\n");fprintf(stdout, "hello fprintf to stdout\n");fputs("hello fputs to stdout\n", stdout);// stderrperror("hello perror");fprintf(stderr, "hello fprintf to stderr\n");fputs("hello fputs to stderr\n", stderr);return 0;
}

在这里插入图片描述
文件描述符的知识就分享到这，如有错误还望指出。