[ Linux ] 文件描述符和重定向

在上篇文章我们复习了C文件IO操作并且认识了文件相关的系统调用接口。本篇文章我们要引入文件描述符的概念。

0.文件描述符

0.1引入文件描述符

我们在认识open接口时知道了该接口有一个int的返回值，但是当时我们并没有重点介绍这个返回值到底是什么，而这里我们将重点介绍这个返回值。因此我们用man手册查一下open函数的返回值。根据手册描述open函数如果打开或创建成功则会返回一个新的文件描述符，否则失败则返回-1。

那我们写一段代码来验证一下这个返回值，看看效果

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int main()
{
    int fd1 = open("log1.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    int fd2 = open("log2.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    int fd3 = open("log3.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    int fd4 = open("log4.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    printf("fd1: %d\n",fd1);
    printf("fd2: %d\n",fd2);
    printf("fd3: %d\n",fd3);
    printf("fd4: %d\n",fd4);
    return 0;
}

我们看到文件被创建出来了，输出的fd也都是大于1的整数，但是这里有两个问题：

1. 为什么fd是从3开始的呢？0,1,2去哪儿了呢？

答：0,1,2被默认打开了。0叫做标准输入（键盘），1叫做标准输出（显示器），2叫做标准错误（显示器）。

On program startup, the integer file descriptors associated with the streams stdin, stdout, and stderr are 0, 1, and 2,respectively. （在程序启动时，与流stdin、stdout和stderr关联的整数文件描述符分别为0、1和2。）

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int main()
{   
    printf("stdin:%d\n",stdin->_fileno);
    printf("stdout:%d\n",stdout->_fileno);
    printf("stderr:%d\n",stderr->_fileno);
    return 0;
}

函数对应的接口	数据类型的对应
fopen/fclose/fread/fwrite.....	FILE* ->FILE
open/close/read/write......	fd

因此我们使用的C语言接口一定封装了系统调用接口。

2.fd为什么是0,12,3,4,5......

一般而言，一个进程可不可以打开多个文件？答案当然是可以的，所以在内核中，一个进程：打开的文件 = 1：n

所以系统在运行中有可能会存在大量的被打开的文件，操作系统要对被打开的文件进行管理。那么操作系统如何管理这些被打开的文件呢？--->先描述再组织 因此一个文件被打开在内核中要创建被打开文件的内核数据结构--先描述。 struct file 内部包含了大量的内容和属性。操作系统将多个文件的struct file用链表连接起来，因此对被打开文件的管理转换成了对链表的增删查改！那么进程如何和打开的文件建立映射关系呢？因此我们在task_struct中包含一个struct files_srruct * fs指针指向strcut files_struct内部有一个指针数组，存的就是打开文件的fd_array[ ]. 因此要对文件进行操作时，只需要得到这个数组的下标即可。

而现在知道，文件描述符就是从0开始的小整数。当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。于是就有了fifile结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行open系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*fifiles, 指向一张表fifiles_struct,该表最重要的部分就是包涵一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针！所以，本质上，文件描述符就是该数组的下标。所以，只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件

0.2 文件描述符的分配规则

通过上文的了解我们知道了文件描述符是从3开始的，因为0,1,2默认分给了stdin,stdout,stderr.那么当我们关闭0或者2我们再重新创建一个文件时，他的文件描述符会是几呢？

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int main()
{
    close(0);
    int fd = open("myfile.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    if(fd < 0) 
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd:%d\n",fd);
    close(fd);

    return 0;
}

发现是结果是： fd: 0或者fd:2 可见，文件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符。

0.3 重定向

那如果我们关闭fd为1呢?根据文件描述符的分配规则，新建文件的文件描述符fd会是1吗？我们来看代码:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int main()
{
    close(1);
    int fd = open("myfile.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    if(fd < 0) 
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd:%d\n",fd);
    close(fd);

    return 0;
}

此时我们发现什么都没有，这是为什么呢？这时候我们要谈谈重定向了。根据文件描述的分配规则，我们新建的文件描述符fd一定是1，虽然不再指向对应的显示器了，但是已经指向了myfile.txt的底层数据结构了。那么我们如何查看到这个fd呢？这就跟输出重定向相关了，那么我们必须刷新一下才能看到，那么为什么要刷新呢？这是跟缓冲区相关的我们后面解释。

0.3.1 重定向的本质

在上述代码中，我们本来要往显示器上面写，最终却变成了向指定文件中写，这就是输出重定向。

当我们close(1)后，新建一个文件时，根据文件描述符分配规则，1号下标会指向新建的文件，因此凡是往1号文件描述符写的内容都写到myfile当中，而不再写到标准输出了。

如果我们要进行重定向，上层只认0,1,2,3,4,5这样的fd,我们可以在OS内部通过一定的方式调整数组的特定下标的内容（指向），我们就可以完成重定向操作！

0.3.2 dup2 -- 重定向的具体操作

上面的一对数据，都是内核数据结构，只有OS有权限，因此我们用户在使用的时候必须提供接口.因此操作系统提供了dup2

dup2的作用：

makes newfd be the copy of oldfd, closing newfd first if necessary。

dup2的使用：

假设我们要实现刚刚输出重定向的操作，那么根据dup2的描述，他是copy什么呢？参数怎么传？

dup2是copy数组下标对应的内容（文件地址的拷贝）最终的结果是newfd的内容是oldfd的一份拷贝，因此最后只剩下oldfd的内容。因此dup2是将oldfd拷到newfd内。因此如果要输出重定向，是要将fd为3的内容拷贝到fd为1内部。因此最后的内容和fd为3的内容保持一致。

因此输出重定向 dup2(3,1); 我们使用代码来验证一下

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int main()
{
    int fd = open("myfile.txt",O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
    if(fd < 0) 
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    
    dup2(fd,1);
    
    printf("文件的fd:%d\n",fd);
    fflush(stdout);
    close(fd);
    return 0;
}

printf是C库当中的IO函数，一般往 stdout 中输出，但是stdout底层访问文件的时候，找的还是fd:1, 但此时，fd:1下标所表示内容，已经变成了myfifile的地址，不再是显示器文件的地址，所以，输出的任何消息都会往文件中写入，进而完成输出重定向。

追加重定向：

输入重定向：

（本篇完）