[ Linux ] 檔案描述符和重定向

在上篇文章我們複習了C檔案IO操作并且認識了檔案相關的系統調用接口。本篇文章我們要引入檔案描述符的概念。

0.檔案描述符

0.1引入檔案描述符

我們在認識open接口時知道了該接口有一個int的傳回值，但是當時我們并沒有重點介紹這個傳回值到底是什麼，而這裡我們将重點介紹這個傳回值。是以我們用man手冊查一下open函數的傳回值。根據手冊描述open函數如果打開或建立成功則會傳回一個新的檔案描述符，否則失敗則傳回-1。

那我們寫一段代碼來驗證一下這個傳回值，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;
}

我們看到檔案被建立出來了，輸出的fd也都是大于1的整數，但是這裡有兩個問題：

為什麼fd是從3開始的呢？0,1,2去哪兒了呢？

答：0,1,2被預設打開了。0叫做标準輸入（鍵盤），1叫做标準輸出（顯示器），2叫做标準錯誤（顯示器）。

On program startup, the integer file descriptors associated with the streams stdin, stdout, and stderr are 0, 1, and 2,respectively. （在程式啟動時，與流stdin、stdout和stderr關聯的整數檔案描述符分别為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;
}

函數對應的接口	資料類型的對應
fopen/fclose/fread/fwrite.....	FILE* ->FILE
open/close/read/write......	fd

是以我們使用的C語言接口一定封裝了系統調用接口。

2.fd為什麼是0,12,3,4,5......

一般而言，一個程序可不可以打開多個檔案？答案當然是可以的，是以在核心中，一個程序：打開的檔案 = 1：n

是以系統在運作中有可能會存在大量的被打開的檔案，作業系統要對被打開的檔案進行管理。那麼作業系統如何管理這些被打開的檔案呢？--->先描述再組織是以一個檔案被打開在核心中要建立被打開檔案的核心資料結構--先描述。 struct file 内部包含了大量的内容和屬性。作業系統将多個檔案的struct file用連結清單連接配接起來，是以對被打開檔案的管理轉換成了對連結清單的增删查改！那麼程序如何和打開的檔案建立映射關系呢？是以我們在task_struct中包含一個struct files_srruct * fs指針指向strcut files_struct内部有一個指針數組，存的就是打開檔案的fd_array[ ]. 是以要對檔案進行操作時，隻需要得到這個數組的下标即可。

而現在知道，檔案描述符就是從0開始的小整數。當我們打開檔案時，作業系統在記憶體中要建立相應的資料結構來描述目标檔案。于是就有了fifile結構體。表示一個已經打開的檔案對象。而程序執行open系統調用，是以必須讓程序和檔案關聯起來。每個程序都有一個指針*fifiles, 指向一張表fifiles_struct,該表最重要的部分就是包涵一個指針數組，每個元素都是一個指向打開檔案的指針！是以，本質上，檔案描述符就是該數組的下标。是以，隻要拿着檔案描述符，就可以找到對應的檔案

0.2 檔案描述符的配置設定規則

通過上文的了解我們知道了檔案描述符是從3開始的，因為0,1,2預設分給了stdin,stdout,stderr.那麼當我們關閉0或者2我們再重新建立一個檔案時，他的檔案描述符會是幾呢？

#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;
}

發現是結果是： fd: 0或者fd:2 可見，檔案描述符的配置設定規則：在files_struct數組當中，找到目前沒有被使用的最小的一個下标，作為新的檔案描述符。

0.3 重定向

那如果我們關閉fd為1呢?根據檔案描述符的配置設定規則，建立檔案的檔案描述符fd會是1嗎？我們來看代碼:

#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;
}

此時我們發現什麼都沒有，這是為什麼呢？這時候我們要談談重定向了。根據檔案描述的配置設定規則，我們建立的檔案描述符fd一定是1，雖然不再指向對應的顯示器了，但是已經指向了myfile.txt的底層資料結構了。那麼我們如何檢視到這個fd呢？這就跟輸出重定向相關了，那麼我們必須重新整理一下才能看到，那麼為什麼要重新整理呢？這是跟緩沖區相關的我們後面解釋。

0.3.1 重定向的本質

在上述代碼中，我們本來要往顯示器上面寫，最終卻變成了向指定檔案中寫，這就是輸出重定向。

當我們close(1)後，建立一個檔案時，根據檔案描述符配置設定規則，1号下标會指向建立的檔案，是以凡是往1号檔案描述符寫的内容都寫到myfile當中，而不再寫到标準輸出了。

如果我們要進行重定向，上層隻認0,1,2,3,4,5這樣的fd,我們可以在OS内部通過一定的方式調整數組的特定下标的内容（指向），我們就可以完成重定向操作！

0.3.2 dup2 -- 重定向的具體操作

上面的一對資料，都是核心資料結構，隻有OS有權限，是以我們使用者在使用的時候必須提供接口.是以作業系統提供了dup2

dup2的作用：

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

dup2的使用：

假設我們要實作剛剛輸出重定向的操作，那麼根據dup2的描述，他是copy什麼呢？參數怎麼傳？

dup2是copy數組下标對應的内容（檔案位址的拷貝）最終的結果是newfd的内容是oldfd的一份拷貝，是以最後隻剩下oldfd的内容。是以dup2是将oldfd拷到newfd内。是以如果要輸出重定向，是要将fd為3的内容拷貝到fd為1内部。是以最後的内容和fd為3的内容保持一緻。

是以輸出重定向 dup2(3,1); 我們使用代碼來驗證一下

#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("檔案的fd:%d\n",fd);
    fflush(stdout);
    close(fd);
    return 0;
}

printf是C庫當中的IO函數，一般往 stdout 中輸出，但是stdout底層通路檔案的時候，找的還是fd:1, 但此時，fd:1下标所表示内容，已經變成了myfifile的位址，不再是顯示器檔案的位址，是以，輸出的任何消息都會往檔案中寫入，進而完成輸出重定向。

追加重定向：

輸入重定向：

[ Linux ] 檔案描述符和重定向

0.檔案描述符

0.1引入檔案描述符

0.2 檔案描述符的配置設定規則

0.3 重定向

0.3.1 重定向的本質

0.3.2 dup2 -- 重定向的具體操作

dup2的作用：

dup2的使用：

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