Linux | 文件描述符fd详解及重定向技术的应用

多谢梅花，伴我微吟。 - 《高阳台·除夜》(韩疁)

2024.8.23

目录

1、文件描述符fd

文件操作符概念(简单带过)

重点：如何理解文件操作符使得系统实现了设备无关性？（使得操作系统无需关心具体的硬件细节）

示例代码:标准输入、标准输出和标准错误

文件描述符的分配规则

注意

2、重定向

重定向的简单例子

思考

重点：使用dup2函数进行重定向

重定向的重要应用

文件描述符，一个看似简单的整数，实际上是Linux系统中用于标识和访问文件、设备和其他输入输出资源的关键。每个进程在启动时，都会继承一组标准的文件描述符，它们是：标准输入（stdin）、标准输出（stdout）和标准错误（stderr）。这些描述符不仅是进程与外部世界通信的桥梁，更是操作系统抽象硬件细节、实现设备无关性的关键。通过重定向技术，我们可以灵活地改变输出的目的地，无论是将标准输出重定向到文件，还是将错误信息发送到日志系统，甚至是将输入从文件中读取。这种灵活性，正是Linux系统强大功能的一部分。

1、文件描述符fd

文件操作符概念(简单带过)

文件描述符（fd）是一个用于表示打开文件的整数，每个进程在启动时会有三个标准文件描述符：标准输入（0）、标准输出（1）和标准错误（2）。

在Linux系统中，每个进程在启动时都会打开一组标准的文件描述符，它们是：

• 标准输入（stdin）：文件描述符为0，通常关联到键盘输入。
• 标准输出（stdout）：文件描述符为1，通常关联到显示器输出。
• 标准错误（stderr）：文件描述符为2，同样通常关联到显示器，用于输出错误信息。

这些文件描述符允许程序以一种标准和约定的方式来进行输入和输出操作，而无需关心具体的设备细节，实现了设备无关性。

重点：如何理解文件操作符使得系统实现了设备无关性？（使得操作系统无需关心具体的硬件细节）

比如说：3号文件描述符是打印机，4号文件描述符是音响。OK，我执行输出操作的时候操作系统不需要关系你到底是打印机还是音响，我都通过固定的输出接口把数据给到设备，让设备自己处理系统发来的输出数据做处理，处理成设备自己能识别的格式（一般是驱动对数据处理之后发送给设备，所以说驱动是系统和硬件的中间件~~），黑白打印机就识别为黑白像素点，音响就识别为频率振幅等等~~

打印机和音响的输出设备如此，扫描仪和麦克风等输入设备也是一样的~~，设备将数据处理成同一格式再通过唯一的系统输入接口传入电脑。

我的理解：其实，这就是一种“多态”，系统提供固定的输入输出接口，根据设备的不同执行不同的IO细节操作，极大降低了系统和硬件的耦合度！！！（当时还没有提出多态概念，这可能是最早的“多态”，所以说当时写操作系统的大佬思想相当厉害！！！ 再次膜拜~）

示例代码:标准输入、标准输出和标准错误

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {char buf[1024]; // 定义一个缓冲区用于存储读取的数据ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf)); // 从标准输入（键盘）读取数据// // 等价于read(stdin, buf, strlen(buf));if (s > 0) {buf[s] = 0; // 将读取的字符串末尾添加null终止符write(1, buf, strlen(buf)); // 将数据写入标准输出（显示器）// 等价于write(stdout, buf, strlen(buf));write(2, buf, strlen(buf)); // 将数据同时写入标准错误（显示器）// 等价于write(stderr, buf, strlen(buf));}return 0;
}

文件描述符的分配规则

文件描述符本质上是一个小整数，它是一个指向进程打开文件表（files_struct）中特定条目的索引。每个条目都包含了一个指向打开文件的数据结构（如file结构体）的指针。当调用open系统调用时，操作系统会分配一个新的文件描述符，并在这个表中创建一个新的条目。

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。

注意

• read 函数尝试从文件描述符0（标准输入）读取数据到缓冲区buf中，返回值是实际读取的字节数。
• 如果read成功，使用write函数将读取的数据写入到文件描述符1（标准输出）和文件描述符2（标准错误）。
• write函数将数据写入指定的文件描述符，返回值是成功写入的字节数。
• 如果读取或写入失败，read和write函数都会返回-1，并设置errno以指示错误类型。
• buf[s] = 0;这行代码确保了从标准输入读取的字符串是正确终止的，这对于字符串操作是安全的。

2、重定向

重定向的简单例子

根据文件fd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。当我们关闭系统默认开启的、较小的fd操作符，再次分配时就会将新的文件插入分配到此位置。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>int main()
{close(1);int fd = open("myfile", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);if(fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n", fd);fflush(stdout);close(fd);exit(0);
}

我们发现，新打开的myfile文件在进程中分配的fd果然是我们关闭的1号文件描述符(对应的是stdout向显示器输出)。

思考

结果：printf输出的内容没有出现在显示器上，而是写入了myfile文件中，为什么会这样？

解释：printf默认是向stdout对应的文件操作符(对应的fd是1)执行输出，当我们一关一开1号文件描述符后，1号文件描述符的指向目标已近由显示器改为myfile(重定向到myfile)，最后执行printf时，函数向1号文件描述符输出，结果就输出到了myfile文件之中。