重定向与缓冲区

4种重定向

我们有如下的代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define FILE_NAME "log.txt"int main()
{close(1); // 关闭标准输出int fd = open(FILE_NAME, O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd:%d\n", fd);printf("stdout->fd: %d\n", stdout->_fileno);fflush(stdout);close(fd);return 0;
}

运行上面的代码之后，我们发现结果如下：

在上面的代码执行之前，文件描述符是这样的：

上面的代码执行时：

然后创建了一个 log.txt 出来，根据文件 fd的分配规则[[文件 fd#📌 fd 的分配规则]]：寻找最小的，没有被使用的数组下标分配给指定的打开文件，这里由于 1 首先被关闭了，所以 1 就是那个最小的没有被使用的数组下标了，它被分配给了 log.txt

好了，这里在说明一下：printf函数是向屏幕上打印的，Linux 下一切皆是文件，也就是说，printf 是向显示器文件里写入内容的。printf 是根据 stdout 来向显示器文件里写入内容的，而stdout这个里面有一个fileno,这个 fileno 的值是等于 1 的，这里也就可解释为什么 printf往 log.txt 里打印内容了，因为此时 log.txt的文件描述符是:1

综上所诉，重定向的本质就是修改特定文件的数组下标的内容。

fflush(stdout)是什么？

上面的代码，如果我们不加 fflush会有什么结果？我们可以试一试。

如果不加fflush 我们会发现，屏幕上不会打印任何内容，log.txt里也没有内容写入。

这个和我们的一个概念有关：用户级缓冲区，语言中提供的缓冲区

输入重定向

我们事先将log.txt中的内容修改成123 456，然后再运行下面的程序：

  #include<stdio.h>    #include<sys/types.h>    #include<sys/stat.h>    #include<fcntl.h>    #include<string.h>    #include<unistd.h>    #define LOG "log.txt"    int main()    { close(0); int fd = open(LOG, O_RDONLY);int a, b;scanf("%d %d", &a, &b);printf("a = %d, b = %d\n", a, b);return 0;}

原理：
因为我们一开始执行了close(0)关闭文件描述符1对应的文件，其实也就是我们的stdin，那么我们再打开log.txt文件，根据文件描述符的规则：分配的是当前最小的没有被占用的文件描述符！那么我们的log.txt就顺理成章的拿到了fd = 0；这时候printf函数内部肯定是封装了操作系统接口read的，read只会根据文件描述符来区分文件，所以它默认的就是向文件描述符为0的文件中读取，所以就读取到了log.txt中的123 和 456！

输出重定向

 #include<stdio.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#define LOG "log.txt"int main(){int fd1 = open(LOG, O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);printf("hello \n");    printf("hello \n");    printf("hello \n");    printf("hello \n");    printf("hello \n");    return 0;    }  

运行结果：
我们发现printf函数运行的结果没有出现在屏幕上，而是出现在log.txt文件中。
原理：
因为我们一开始执行了close(1)关闭文件描述符1对应的文件，其实也就是我们的stdout，那么我们再打开log.txt文件，根据文件描述符的规则：分配的是当前最小的没有被占用的文件描述符。那么我们的log.txt就顺理成章的拿到了fd = 1；这时候printf函数内部肯定是封装了操作系统接口write的，write只会根据文件描述符来区分文件，所以它默认的就是向文件描述符为1的文件中写入，所以就写入到了log.txt中

追加重定向

我们只需要修改输出重定向中的代码：在open函数的参数中添加上追加的参数即可

  #include<stdio.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#define LOG "log.txt"int main(){int fd1 = open(LOG, O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);  printf("hello \n");    printf("hello \n");    printf("hello \n");    printf("hello \n");    printf("hello \n");                            return 0;    }  

运行上面的代码，我们可以知道，内容是追加输出到文件中的。这就叫做我们的追加重定向。

重定向基本原理

根据上面的例子，我们可以知道，上层的fd 不变，底层fd指向的内容在改变，从而导致了我们输入输出的地方的改变，这就是重定向的基本原理

但是，问题来了，你看上面的代码，我们为了实现重定向，还要先close()还要指定文件的打开方式，这样也太麻烦了，有没有简单一点的方法，害，还真有！！

我们的想法是，直接把 3 号数组下标对应的内容直接拷贝到 1 号里面，

然后我们把之前的 3 号关掉，这样就重定向了呀，本来 1 是指向标准输出的，现在指向了 log.txt了

上面的操作其实就是文件描述符表级别的数组内容的拷贝，而且，我们也有这样的接口可以实现上面的功能：dup2

int dup2(int oldfd, int newfd);

dup2(要拷贝的，目的地) 

这个时候出现了 2 个问题
一个上面图所示：

这个时候我们有 2 个文件描述符指向log.txt，即使一个正常使用，一个关了，这个时候也会出问题，所以我们如何在有多个指针指向log.txt的时候保证它能够正常工作呢？

所以这个时候我们要引出引用计数的概念:

atomic_long_t f_count;

f_count就是用来计数的，有几个指针指向它，f_count就是 几

以下代码我们什么也没有干，只是将文件打开后，关闭了而已。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define FILE_NAME "log.txt"int main()
{// 打开了int fd = open(FILE_NAME, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 1;}// 打印printf("hello printf\n");fprintf(stdout, "hello fprintf\n");// 关闭close(fd);return 0;
}

💥 怕你忘记，这里写一下 open 函数里面的参数的意思：
打开文件的标志:

• O_WRONLY：以只写模式打开文件。如果文件已存在，可以写入数据；如果文件不存在，打开操作将失败。
• O_CREAT：如果文件不存在，则创建它。通常与 O_WRONLY 或 O_RDWR 一起使用。
• O_TRUNC：如果文件已存在，并且以写模式打开，则将文件长度截断为 0。这意味着文件中的原有内容将被删除。

文件权限:

• 0666：这是一个八进制数，表示文件的权限。八进制数 0666 对应的权限是：
  • 6（即 110 二进制）表示读写权限。
  • 第一个 6 表示文件所有者（owner）的权限。
  • 第二个 6 表示文件所属组（group）的权限。
  • 第三个 6 表示其他用户（others）的权限。
    因此，0666 表示文件所有者、所属组和其他用户都有读写权限。

运行上面的程序，我们可以看到：

好了，基于上面的程序，我们要完成输出重定向：
我们只需要在上面的程序中加入dup2就行了,用 dup2 就可以解决多个指针同时指向 log.txt 还能让它正常工作的问题

dup2(fd, 1); 

完整代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define FILE_NAME "log.txt"int main()
{int fd = open(FILE_NAME, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 1;}dup2(fd, 1); // <-----------------------------------------------------printf("hello printf\n");fprintf(stdout, "hello fprintf\n");close(fd);return 0;
}

运行之后，就没有向屏幕中输出了，而是向 log.txt这个文件中输入，因为我们改了输出的文件

文件描述符2 是干什么的？

我们知道，文件描述符 2 对应的是标准错误，标准错误是干什么的，为什么要存在标准错误呢？而且标准错误也是指向的显示器

假设我们有如下程序：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define FILE_NAME "log.txt"int main()
{fprintf(stdout, "hello stdout\n"); //标准输出fprintf(stderr, "hello stderr\n"); // 标准错误return 0;
}

运行结果如下：

这个时候，我们做一个实验，我们重定向一下，把内容输出到 log.txt中：

我们发现结果很神奇：1. stderr 还是往显示器上打印的 2. stdout 的确是往 log.txt 中打印的

为啥？❓
因为，我们重定向的时候仅仅只是将标准输出重定向了，并没有将标准错误重定向。

那我们非要将标准错误也重定向到log.txt中咋办？

我们可以这样写：

./myfile > log.txt 2>&1

还有一件事，其实：./myfile > log.txt 是一种简写，完整的写法是:./myfile 1 > log.txt。

这样一来，我岂不是可以这样操作：

./myflie 1>log001.txt 2>log002.txt

就是把这个内容，一个放进 1 号里，一个放进 2 号里

回到正题，那为什么要有标准错误呢？

在我们写程序的时候，遇到报错是在正常不过的了，但是如果这个程序也有普通的打印任务，比如：要在屏幕上打印一个hello word，这个时候，我们可以将hello word 作为普通输出打印进 log001.txt中，将这个程序的错误输出放入log002.txt 中，这就是标准错误存在的意义。

📌缓冲区

🎹预备知识

什么是缓冲区？

其实就是一部分的内存

这一部分的内存是由谁提供的？

比如，我们自己写代码的时候定义的char bufer 或是 char 数组[ ] ，其实这就是我们自己定义的用户缓冲区。如果这个缓冲区是由c语言提供的，这就叫做c标准库提供的缓冲区 ，如果是操作系统提供的，那么就叫做操作系统缓冲区。我们可以简单的理解为都是malloc 出来的。

为什么要有缓冲区？

我们有这样的一段代码样例：
printf("hello linux");
sleep(3);
在sleep期间，屏幕上是不会打印 hello linux 的，但是c语言是从上往下执行的，所以当在执行sleep(3) 的时候，printf 语句是肯定已经执行过了，这个时候 hello linux 就存在于缓冲区里。

缓冲区的优点：

缓冲区的作用是提高使用者的效率
因为有缓冲区的存在，我们可以积累一部分在统一发送
提高发送的效率

缓冲区因为能够暂存数据，必定要有一定的刷新方式：

1. 无缓冲（立即刷新）
2. 行缓冲（行刷新）
3. 全缓冲（缓冲区满了再刷新）

上面的刷新方式是一般的情况，以下是特殊情况下的刷新方式：

1. 强制刷新
2. 进程退出的时候，一般要进行刷新缓冲区

一般对于显示器，我们采用的刷新策略是：行刷新(行缓冲)
对于磁盘上的文件，我们采取的刷新策略是：全缓冲（缓冲区满再刷新）

🎹介绍一个样例

现在，我们要准备以下几个文件：

​k``makefile``:
```makefile
myfile:myfile.cgcc -o $@ $^ 
.PHONY:clean
clean:rm -rf myfile

myfile.c:

 #include <stdio.h>
#include <unistd.h>
kude <string.h>
#include <unistd.h>int {fpkmain()
{fprintf(stdout,"C:hello fprintf\n");pputs("C: hello fputs\n",stdout); ckrintf("C: hello printf\n");fputs("C: hello fputs\n",stdout); const char *str = "system call: hello wirte\n";write(1,str,strlen(str));return 0;
}

运行的操作：

上面，我们写了 4 个向显示器打印的语句。

接下来，我们输出重定向到log.txt 中；

上面的操作做完之后，现在 我们来开始试验，现在，我们在myfile.c 中加上一行代码；

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#i
inknclude <unistd.h>int main()
{fprintf(stdout,"C:hello fprintf\n");printf("C: hello printf\n");fputs("C: hello fputs\n",stdout); const char *str = "system call: hello wirte\n";write(1,str,strlen(str));fork(); // <---------------------------------------- 注意fork的位置return 0;
}

加上这一句fork(); 之后，我们在把之前的执行流程重新走一遍看看有什么不同。
!k

当我们直接向显示器打印的时候，缓冲区采取的刷新方式是：行刷新，而且上面的代码中，我们每一个打印的字符的后面都是有\n 的，这说明 fork() 执行之前，上面的那些打印的语句都被刷新过了也包括 system call ,所以是一样的

\n 是换行，显示器是行刷新，所以有\n 就会进行行刷新

观察上面打印的结果，我么发现，只有C语言的接口被打印了2次，而系统调用接口只被打印了1次

这样的结果一定与我们在代码中添加的fork() 有关

问题是，我们的fork() 是放在代码的最后的呀，如果你这个fork()放在的是代码的最前面，这都好解释，因为，fork之后创建子进程，父子进程代码共享，会打印2次，你这里的fork 是放在代码最后的呀，fork() 之后啥都没有了；它咋还打印了呢？

当我们使用./myfile > log.txt 是输出重定向 本质是向磁盘上的文件 进行写入（不再是显示器了），而磁盘上文件默认的刷新策略是：全缓冲刷新 （缓冲区满了再刷新），全缓冲就意味着缓冲区变大，上面我们打印的语句不足以把缓冲区填满，这就意味着，fork() 执行的时候，数据依旧在缓冲区中。

我们发现，系统调用在上面进行的操作过程中都只打印了一次，这说明我们目前系统调用和缓冲区是没有关系的,是和 C 语言有关的（通过我们上面的操作推出），这就说明，我们日常用的最多的缓冲区是c/c++ 提供的语言级别的缓冲区

C/C++ 提供的缓冲区，里面一定保存的是用户的数据，那这些数据属不属于当前进程在运行时自己的数据呢？

属于

如果我们把数据交给了操作系统，那么这个数据就属于操作系统了，而不属于这个进程了

当进程退出的时候一般要进行刷新缓冲区，即使你的缓冲区没有满足刷新的条件，也是会强制刷新的，因为进程退出了。

所以当代码执行到fork()的时候 ，之后已经没有代码了，父进程已经执行结束了，要退了，所以，根据进程退出会强制刷新缓冲区，这个时候的缓冲区会被刷新。这个时候缓冲区里面存着的是前4条我们对应的语句：

问题：这里的刷新缓冲区是指的是“清空” 或是 “写入” 的操作吗？

没错，指的就是清空或者是写入的操作

当我们这里fork() 的时候，父进程要先退出了，所以要刷新缓冲区了，所以就要对缓冲区进行一种类似清空或写入的操作了，根据我们之前的所学的知识，父子进程数据是共享的，当其中一方发生数据改变时，就会发生写时拷贝，所以这个时候数据就会变成 2 份。所以log.txt 中会打印 2 份结果
我们观察一下向log.txt输出的结果

write 接口的结果只打印了一次，说明，write 系统调用接口没有使用C语言的缓冲区，它是直接把数据写入到了操作系统中了，这个时候依照我们上面所说的，这个时候的数据是属于操作系统了，不属于进程了，所以你会发现一个小细节：wirte 系统调用的打印的语句是出现在log.txt的第一行的，尽管它的代码语句是写在最后的。

观察我们之前学的一些输入输出的函数，我们可以看到都有FILE* 这样一个指针，其中FILE是一个结构体，在任何情况下，当我们输入输出的时候，都要有一个FILE 因为FILE 这个结构体里面为我们提供了一段缓冲区。

本章图集：