【Linux初阶】基础IO - 文件管理(深入理解文件描述符) | 重定向

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一、文件管理引入

我们在前面的文章中就曾提及过，进程操作的本质：进程与被打开文件的关系。

那么问题来了，一个进程可以打开多个文件吗？

可以 -> 系统中一定会存在大量被打开的文件 -> 被打开的文件需不需要被 OS管理起来呢？要的 -> 如何管理？ -> 先描述，在组织 -> 操作系统为了管理对应的打开文件，必定要为文件创建对应的 内核数据结构标识文件 -> files_struct {} -> 包含了大量的文件属性

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


#define FILE_NAME(number) "log.txt"#number //宏中+#，使两个字符串具有链接特性

int main()
{
    umask(0);//设置当前进程的umask值

    int fd0 = open(FILE_NAME(1), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd1 = open(FILE_NAME(2), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd2 = open(FILE_NAME(3), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd3 = open(FILE_NAME(4), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd4 = open(FILE_NAME(5), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);

    printf("fd: %d\n", fd0);
    printf("fd: %d\n", fd1);
    printf("fd: %d\n", fd2);
    printf("fd: %d\n", fd3);
    printf("fd: %d\n", fd4);

    close(fd0);
    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    close(fd4);
}

通过观察上面的代码和对应的运行结果，我们发现了两个问题：

1. fd获取的是文件操作符，那么为什么文件操作符是从3开始的呢？
2. 为什么文件操作符是连续的小整数呢，这些连续的小整数是什么？

其实，这些连续的小整数就是数组的下标，至于为什么是数组下标，我们在后面结合其他知识再行讲解。

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二、理解文件描述符

我们还是以 open的代码为例，我们知道，open接口调用成功后会返回文件描述符。实际上，文件描述符，就是一个整数。

int fd = open(FILE_NAME, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);

Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入(stdin)0， 标准输出(stdout)1， 标准错误(stderr)2。0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器。也就是说，在操作系统层面，我们可以把键盘和显示器理解成为文件。

这就回答了我们上面的第一个问题：fd获取的是文件操作符，那么为什么文件操作符是从3开始的呢？
因为前三个文件描述符被占用了。下面，我们对这个结论进行验证。

C语言的库函数接口中，我们可以看到下面这样的代码

FILE *fd = fopen();

我们知道，fopen底层必须调用系统接口，系统接口调用访问文件，又必须用文件描述符。那这个 FILE又是什么呢？事实上，FILE代表的是一个结构体，通过推导，我们不难得出，这个结构体中，必定有一个字段存储文件描述符。

stdin、stdout、stderr都是 FILE*结构体

对此，我们修改我们上面的代码，可以得到新的运行结果

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


#define FILE_NAME(number) "log.txt"#number //宏中+#，使两个字符串具有链接特性

int main()
{
    printf("stdin->fd: %d\n", stdin->_fileno);//输出结构体中的文件描述符
    printf("stdout->fd: %d\n", stdout->_fileno);
    printf("stderr->fd: %d\n", stderr->_fileno);
    umask(0);

    int fd0 = open(FILE_NAME(1), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd1 = open(FILE_NAME(2), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd2 = open(FILE_NAME(3), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd3 = open(FILE_NAME(4), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd4 = open(FILE_NAME(5), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);

    printf("fd: %d\n", fd0);
    printf("fd: %d\n", fd1);
    printf("fd: %d\n", fd2);
    printf("fd: %d\n", fd3);
    printf("fd: %d\n", fd4);

    close(fd0);
    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    close(fd4);
}

【总结】Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入(stdin)0， 标准输出(stdout)1， 标准错误(stderr)2。因此，我们自己文件的文件操作符通常从 3开始。

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三、文件描述符表

我们将在本小节解决开头的第2个问题，为什么文件操作符是连续的小整数，为什么我们可以将这些连续的小整数理解成数组的下标？

下面是进程与文件的关系图解

通过对图的理解，我们现在知道，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（file）。于是就有了 files_struct结构体，表示一个已经打开的文件对象的集合。

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*files，指向一张表files_struct（文件描述符表），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。

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四、文件描述符的分配规则

通过上面的学习，我们知道，我们的文件描述符默认0、1、2都被占用了，假如我们关掉一个会怎么样呢？直接看代码

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
 	int fd = open("myfile", O_RDONLY);
 	if(fd < 0){
 		perror("open");
 		return 1;
 	}
	printf("fd: %d\n", fd);
	
 	close(fd);
 	return 0;
}

输出发现 fd = 3
我们可以关闭 0 或 2 再看

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
	close(0);
	//close(2);
	int fd = open("myfile", O_RDONLY);
	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。

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五、重定向

那如果关闭1呢？看代码：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
	close(1);
	int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 00644);
	if (fd < 0) {
		perror("open");
		return 1;
	}
	printf("fd: %d\n", fd);
	fflush(stdout);

	close(fd);
	exit(0);
}

此时，我们发现，本来应该输出到显示器上的内容，输出到了文件 myfile 当中，其中，fd＝1。这种现象叫做输出重定向。常见的重定向有：>（输出）, >>（追加）, <（输入）

那重定向的本质是什么呢？

重定向的本质：上层用的 fd不变，在内核中更改 fd对应的 struct file*的地址。

以上图为例，文件 1代表的是标准输出，但是该文件被我们 close掉了，假如此时我们新创建一个文件，我们的文件就会占用文件描述符 1。

所以，文件描述符 1没有变化，但是它底层struct file*的地址改变了，指向了一个新的文件。

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六、使用 dup2 系统调用实现重定向

函数原型如下:

#include 
int dup2(int oldfd, int newfd);//将旧的拷贝到新的，最终我们的内容都和 old一样

【注意】dup2不是将文件描述符互相拷贝，而是将文件描述符对应的 struct file*的地址做互相拷贝。

1.模拟实现 >（输出）

直接输出在文件中

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    //close(0);
    //close(2);
    //close(1);
    umask(0);
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    dup2(fd, 1);

    printf("open fd: %d\n", fd); // printf -> stdout
    fprintf(stdout, "open fd: %d\n", fd); // printf -> stdout

    fflush(stdout);
    close(fd);
    return 0;
}

———— 我是一条知识分割线 ————

2.模拟实现 >>（追加）

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    //close(0);
    //close(2);
    //close(1);
    umask(0);
    //int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); //追加
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    dup2(fd, 1);

    printf("open fd: %d\n", fd); // printf -> stdout
    fprintf(stdout, "open fd: %d\n", fd); // printf -> stdout

	const char *msg= "hello world";
    write(1, msg, strlen(msg));//strlen - #include 

    fflush(stdout);
    close(fd);
    return 0;
}

【注意】代码中的 “hello world” 没有加换行

———— 我是一条知识分割线 ————

3.模拟实现 <（输入）

可以直接从文件中输入显示器，不用在键盘中输入

示例如下，我们先在 log.txt中写入信息，再运行

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


int main()
{
    //close(0);
    //close(2);
    //close(1);
    umask(0);
    //int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    //int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);
    int fd = open("log.txt", O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    dup2(fd, 0); //输入重定向

    char line[64];

    while(1)
    {
        printf("> "); 
        if(fgets(line, sizeof(line), stdin) == NULL) break; //stdin->0
        printf("%s", line);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

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结语

文件管理(深入理解文件描述符) 的知识大概就讲到这里啦，博主后续会继续更新更多C++ 和 Linux的相关知识，干货满满，如果觉得博主写的还不错的话，希望各位小伙伴不要吝啬手中的三连哦！你们的支持是博主坚持创作的动力！