文件描述符与重定向

1. open系统调用

在 Linux 中, open() 系统调用用于打开一个文件或设备，并返回一个文件描述符，通过该描述符可以进行文件读写操作。open() 可以用于创建新文件或打开已存在的文件，具体行为取决于传递给它的参数。

需要包含的头文件：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

函数原型： 

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);int creat(const char *pathname, mode_t mode);

参数解释： 

pathname: 要打开或创建的⽬标⽂件
flags: 打开⽂件时，可以传⼊多个参数选项，⽤下⾯的⼀个或者多个常量进⾏“或”运算，构成
flags。
参数:
O_RDONLY: 只读打开
O_WRONLY: 只写打开
O_RDWR : 读，写打开
这三个常量，必须指定⼀个且只能指定⼀个O_CREAT : 若⽂件不存在，则创建它。需要使⽤mode选项，来指明新⽂件的访问
权限
O_APPEND: 追加写
返回值：
成功：新打开的⽂件描述符
失败：-1

mode 参数用于设置文件权限，通常只有在使用 O_CREAT 标志时才会使用。它指定文件的新权限，控制谁可以读取、写入和执行该文件。mode 是一个表示文件权限的整数，使用常量来组合不同的权限位。常见的 mode 权限：S_IRUSR：用户可读权限。
S_IWUSR：用户可写权限。
S_IXUSR：用户可执行权限。
S_IRGRP：组用户可读权限。
S_IWGRP：组用户可写权限。
S_IXGRP：组用户可执行权限。
S_IROTH：其他用户可读权限。
S_IWOTH：其他用户可写权限。
S_IXOTH：其他用户可执行权限。
示例：
open("file.txt", O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);
这会创建一个新文件，并设置权限为文件所有者可读和可写。
也可以用二进制表示
open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 00644);
文件所有者权限为读写。用户组和其他用户权限为只读。

myfile.c：

• 打开文件：
  使用 open() 函数以只读 (O_RDONLY) 和创建文件 (O_CREAT) 的模式打开 log.txt 文件。如果文件不存在，O_CREAT 会创建文件。若文件打开失败，程序会输出错误并返回 1。

• 读取文件：
  通过 read() 函数从文件描述符 fd 中读取数据到 buff 中。read() 函数将最多读取 strlen(msg) 字符（这是一个错误的参数，应该是缓冲区大小）。

• 输出内容：
  如果读取成功（s > 0），则通过 printf() 输出读取到的内容。否则，退出循环。

• 关闭文件：
  使用 close() 关闭文件描述符。

2. 文件描述符

2.1 文件描述符

文件描述符（File Descriptor，简称 FD）是操作系统为每个进程提供的一种标识符，用于访问打开的文件、设备或其他输入输出资源。文件描述符是一个非负整数，它在进程的文件表中对应着一个指向内核中文件信息的指针。

上面myfile.c中read之所以可以通过int类型的fd读取到long.txt文件的内容就是因为每个文件都有一个文件描述符。

文件描述符的工作原理

每个进程在打开文件时，操作系统会为该进程分配一个文件描述符。文件描述符不仅仅用于普通文件，还可以用于设备、管道和套接字等其他输入输出资源。操作系统通过文件描述符来管理文件的读写操作。

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：

1. 标准输入（STDIN）：文件描述符 0，用于从用户或其他程序读取数据。
2. 标准输出（STDOUT）：文件描述符 1，用于向用户或其他程序输出数据。
3. 标准错误输出（STDERR）：文件描述符 2，用于输出错误信息。

除了标准输入、输出和错误输出外，应用程序可以打开更多文件，操作系统会为每个打开的文件分配一个文件描述符。

打开文件与文件描述符

当你调用 open() 函数打开一个文件时，操作系统会返回一个文件描述符，这个描述符可以用于后续的文件操作（如读写）。

int fd = open("example.txt", O_RDONLY);

这行代码尝试以只读模式打开 example.txt 文件，并返回一个文件描述符 fd。之后，可以使用该文件描述符来执行文件读写操作。

文件描述符的使用

在文件描述符返回后，可以通过以下系统调用来进行操作：

• read(fd, buffer, size)：从文件描述符 fd 中读取最多 size 字节的数据到 buffer 中。
• write(fd, buffer, size)：向文件描述符 fd 写入 size 字节的数据。
• close(fd)：关闭文件描述符，释放操作系统资源。

文件描述符表

操作系统维护一个文件描述符表，每个进程有一个独立的文件描述符表。文件描述符表的每个条目指向一个内核中的文件表，该表保存了文件的详细信息（如文件位置指针、权限等）。通过文件描述符，操作系统可以访问这些信息。

示例：打开、读取、写入和关闭文件

• 程序会从标准输入读取 Hello, World! 字符串并存储到 buf 中。
• 标准输出：write(1, ...) 会将 Hello, World! 输出到标准输出（屏幕）。
• 标准错误输出：write(2, ...) 会将相同的 Hello, World! 输出到标准错误（通常也是屏幕，但会有不同的标记或颜色，取决于终端设置）。

程序会从标准输入读取 hello henu 字符串并存储到 buf 中。

write(1, ...) 会将 hello henu 输出到标准输出（屏幕）。

write(2, ...) 会将相同的 hello henu 输出到标准错误（通常也是屏幕，但会有不同的标记或颜色，取决于终端设置）。

 2.2 文件描述符分配规则

标准文件描述符
在 Linux 和 Unix 系统中，每个进程默认会打开三个文件描述符，分别是：

这些文件描述符默认已经为进程打开，并且对应终端设备或其他输入输出流。

• 标准输入（STDIN）: 文件描述符 0。
• 标准输出（STDOUT）: 文件描述符 1。
• 标准错误输出（STDERR）: 文件描述符 2。

从 3 开始的文件描述符

• 当一个文件第一次通过 open() 打开时，它会获得文件描述符 3。
• 第二个文件会分配文件描述符 4，以此类推。

• 除了标准输入、输出和错误输出外，进程还可以打开更多文件或设备。这些文件描述符的分配从文件描述符 3 开始，并且会根据文件打开的顺序逐个递增。

文件描述符的分配是按顺序进行的，并且不会跳过数字。

    1 #include <stdio.h>2 #include <sys/types.h>3 #include <sys/stat.h>4 #include <fcntl.h>5 6 int main()7 {8   int fd = open("myfile", O_RDONLY);9   if(fd < 0)10   {11     perror("open");12     return 1;13   }14   printf("%d\n", fd);                                                                                                                                                                                                          15 16   close(fd);17   return 0;18 }

关闭0或者2：

发现是结果是： fd: 0 或者 fd 2 ，可见，文件描述符的分配规则：在记录文件描述符的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。

3. 重定向

如果将标准输出（1）关闭，会发生什么呢？

    1 #include <stdio.h>2 #include <sys/types.h>3 #include <sys/stat.h>4 #include <fcntl.h>5 #include <stdlib.h>6 7 int main()8 {9   close(1);10   int fd = open("log.txt", O_RDWR | O_CREAT, 00644); 11   if(fd < 0)                                                                                                                                                                                                                   12   {13     perror("open");14     return 1;15   }16   printf("d: %d", fd);17   fflush(stdout);18 19   close(fd);20   return 0;21 }

 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: > , >> , < 。

几个细节：

使用fflush  close(1);: 关闭了标准输出文件描述符，导致标准输出流会失效。而 fflush  则起到了一个作用，它会强制刷新缓冲区，并把缓冲区中的数据写入到文件或终端中。

open参数：第一个0表示这是八进制，第二个零是 特殊权限设置，644分别是文件所有者、所属组、其他用户的权限。

常见的几种重定向：
>：将标准输出重定向到文件，覆盖原文件内容。
>>：将标准输出重定向到文件，追加到文件末尾。
<：将文件内容作为标准输入提供给命令。
2>：将标准错误重定向到文件，覆盖原文件内容。
2>>：将标准错误追加到文件末尾。
&>：同时将标准输出和标准错误重定向到同一个文件，覆盖原文件内容。
>&：将标准输出和标准错误输出重定向到同一个文件，功能与 &> 类似。
2>&1：将标准错误重定向到标准输出，通常用于将两者合并到同一个文件。

那重定向的本质是什么呢？

4. dup2系统调用

dup2 是一个在 Unix-like 操作系统中用于文件描述符复制的系统调用。它可以将一个文件描述符复制到另一个指定的文件描述符，通常用于重定向输入输出。

参数： 

• oldfd：现有的文件描述符，通常是一个已打开的文件或设备（如标准输入、标准输出等）。
• newfd：目标文件描述符。dup2 会将 oldfd 的副本复制到 newfd，并关闭 newfd（如果它已经打开）。

返回值：

功能：

dup2 会将 oldfd 指向的文件或设备重定向到 newfd。

如果 newfd 已经打开，dup2 会先关闭 newfd，然后将 oldfd 的文件描述符复制到 newfd。

如果 oldfd 等于 newfd，dup2 不会做任何操作，只会返回 newfd。

  1 #include <stdio.h>2 #include <sys/types.h>3 #include <sys/stat.h>4 #include <fcntl.h>5 #include <stdlib.h>6 #include <unistd.h>7 8 int main()9 {10   close(1);11   int fd = open("log.txt", O_RDWR | O_CREAT, 00644);//使用O_APPEND则是追加写入12   if(fd < 0)13   {14     perror("open");15     return 1;16   }17   dup2(fd, 1);18   while(1)                                                                                                                                                                                                                       19   {20     char buf[1024] = {0};21     ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);22     if(read_size < 0)23     {24       perror("read");25       return 1;26     }27     printf("%s", buf);28     fflush(stdout);29   }30 31   return 0;32 }

返回值： 

• 成功时，返回 newfd，即新的文件描述符。
• 失败时，返回 -1，并设置 errno。