Linux中文件描述符与重定向的深入探索

目录

[1. 理解C语言的文件操作函数](#1. 理解C语言的文件操作函数)

[2. 操作系统的文件操作接口](#2. 操作系统的文件操作接口)

[3. 文件描述符详解和其内核本质](#3. 文件描述符详解和其内核本质)

[4. 如何理解Linux下一切皆文件](#4. 如何理解Linux下一切皆文件)

[5. Linux中的重定向](#5. Linux中的重定向)

[5.1 输出重定向](#5.1 输出重定向)

[5.2 追加重定向](#5.2 追加重定向)

[5.3 输入重定向](#5.3 输入重定向)

[6. 结合文件描述符理解重定向](#6. 结合文件描述符理解重定向)

7.重定向的系统调用

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在Linux操作系统中，文件描述符和重定向是处理文件输入/输出（IO）操作的两个核心概念。本文将深入探讨这两个概念，帮助您更好地理解它们的工作原理以及在实际应用中的使用。

1. 理解C语言的文件操作函数

在C语言中，文件操作是通过一系列函数来实现的，如fopen、fclose、fread、fwrite等。这些函数提供了创建、打开、读取、写入和关闭文件的基本功能。然而，这些函数只是操作系统提供的文件操作接口的一种封装。实际的文件操作是由操作系统内核来完成的。

2. 操作系统的文件操作接口

操作系统为应用程序提供了一组统一的文件操作接口，使得应用程序可以以相同的方式处理各种类型的文件，包括普通数据文件、设备文件、网络套接字等。这种统一的处理方式大大简化了程序设计和开发的复杂性。

操作系统的文件操作接口是连接上层应用软件和底层硬件的桥梁，它屏蔽了底层硬件的细节，使得用户可以通过程序（应用软件）直接对计算机中的文件进行各种操作。

文件操作接口提供了丰富的功能，使用户可以对文件进行创建、打开、读取、写入、删除、重定位等操作。这些操作通常通过系统调用的方式实现，而用户无需关心底层硬件是如何实现这些功能的。

以下是一些常见的文件操作接口及其功能：

• 打开文件：在对文件进行读取或写入之前，需要先通过系统调用（如open）打开文件。打开文件时，操作系统会检查文件的访问权限，并为该文件分配一个文件描述符，以便后续操作。

返回值：返回一个整数fd，如果是-1则代表打开失败，fd>0则表示成功，且用户通过fd来操作文件

参数：

pathname：（文件路径）+文件名 ， 如果只有文件名则表示该文件在当前路径

flags：按位图方式传递信息，有如下选项，通过按位或叠加想要的效果

• 读取文件：通过调用读取系统调用（如read），可以将文件的内容读取到程序的缓冲区中。读取操作可以根据需要读取文件的全部内容或部分内容。

在fd指向的文件中拷贝count字节的数据到buf中

• 写入文件：通过调用写入系统调用（如write），可以将程序缓冲区中的数据写入到文件中。写入操作可以追加到文件的末尾，也可以覆盖文件的现有内容。

把buf中count字节的数据拷贝到fd指向的文件中

• 删除文件：通过调用删除系统调用（如unlink或remove），可以删除文件系统中的指定文件。删除文件时，操作系统会释放与该文件相关的所有资源。
• 文件重定位：通过调用文件重定位系统调用（如lseek），可以改变文件的读写指针位置，从而实现对文件的任意位置进行读写操作。

这些文件操作接口通常都以函数的形式提供，用户只需要知道函数的功能和调用方式，就可以直接调用这些函数来操作文件，而无需关心底层硬件的实现细节。

举例来说，假设我们有一个文本文件example.txt，我们想要读取其中的内容。我们可以使用以下步骤通过文件操作接口来实现：

1. 使用open系统调用打开文件example.txt，并获取其文件描述符。
2. 使用read系统调用通过文件描述符读取文件的内容到程序的缓冲区中。
3. 对读取到的内容进行处理或显示。
4. 使用close系统调用关闭文件描述符，释放资源。

通过这个过程，我们可以轻松地实现对文件的读取操作，而无需关心底层硬件是如何进行磁盘读写等操作的。这就是操作系统文件操作接口的重要作用之一。

3. 文件描述符详解和其内核本质

在Linux中，文件描述符是一个非负整数，用于在内核中唯一标识一个打开的文件或设备。当程序打开一个文件或设备时，操作系统会为其分配一个文件描述符。文件描述符是内核中打开文件表的一个索引，通过这个索引，内核可以跟踪和管理每个打开的文件或设备的状态和信息。

文件描述符其实就是数组下标，哪个数组？文件描述符表这个数组，它是个指针数组；

访问文件的对象是进程，进程通过系统调用接口，先把文件打开，为了方便管理每个打开的文件，操作系统会为每个打开的文件创建一个文件结构体（先描述，再组织），通过对struct file这一串数据结构的增删查改从而实现对文件系统的管理，文件是由进程打开的，所以文件和进程是有关系的，但是，为了把文件管理和进程管理解耦合，操作系统通过一个结构体struct file_struct中的struct file* fd_array[ ] 来把进程和其打开的文件联系起来，这个指针数组就是文件描述符表，这个数组对应的数组下标就是文件描述符。

每个进程都会有一个文件描述符表，表中0、1、2位置默认是已经被使用了，里面分别存储了指向标准输入（键盘）、标准输出（屏幕）、标准错误（屏幕）这三个文件的指针

4. 如何理解Linux下一切皆文件

在Linux中，将一切事物都看作文件的原理基于其统一的接口设计和内核中的数据结构。这种设计哲学极大地简化了操作系统的设计和编程工作，使得设备驱动、进程间通信（IPC）和其他系统资源都可以像文件一样被访问和操作。

对于每个被视为文件的对象，Linux内核中都会为其创建一个struct file结构体实例。这个结构体包含了与该文件对象相关的所有信息，比如文件类型、文件位置、访问权限等。更重要的是，struct file结构体中包含了一组函数指针，这些函数指针指向了实现文件操作的具体函数。

这些函数指针的实现根据文件类型的不同而有所不同，从而实现了多态的效果。例如，对于普通文件，这些函数指针可能指向实现文件读写、定位等操作的函数；而对于设备文件，这些函数指针则可能指向实现设备驱动操作的函数。

通过这种方式，Linux内核能够将不同类型的文件对象统一起来，通过相同的接口进行访问和操作。无论是读取磁盘上的数据、向打印机发送数据，还是进行进程间通信，都可以使用相同的系统调用和文件操作函数。这种统一的处理方式极大地提高了Linux系统的灵活性和可扩展性。

需要注意的是，虽然从用户空间的角度来看，所有事物都像文件一样被处理，但在内核空间中，这些对象实际上是通过不同的数据结构和机制来实现的。struct file只是其中的一个关键组成部分，它与其他内核数据结构（如struct inode、struct file_operations等）共同协作，实现了Linux中文件系统的强大功能。

5. Linux中的重定向

重定向是Linux中一种强大的IO处理机制，它允许我们将命令的标准输入、标准输出或标准错误输出重定向到其他位置，如文件、其他命令或设备。

5.1 输出重定向

输出重定向是将命令的标准输出重定向到文件或其他命令。例如，使用>符号可以将命令的输出重定向到一个文件

echo "Hello, World!" > output.txt

这会将字符串"Hello, World!"写入到output.txt文件中，而不是输出到终端，而且是覆盖式输出！

5.2 追加重定向

追加重定向与输出重定向类似，但它会将输出追加到文件的末尾，而不是覆盖文件内容。这可以通过>>符号来实现：

echo "Another line." >> output.txt

这会将字符串"Another line."追加到output.txt文件的末尾。

5.3 输入重定向

输入重定向则是将命令的标准输入重定向到文件或其他命令。例如，使用<符号可以将文件的内容作为命令的输入：

cat < input.txt

这会将input.txt文件的内容作为cat命令的输入，并在终端上显示。

6. 结合文件描述符理解重定向

在Linux中，标准输入、标准输出和标准错误输出分别对应文件描述符0、1和2。重定向操作实际上就是改变这些文件描述符的指向。例如，输出重定向实际上是将文件描述符1（标准输出）重定向到指定的文件或设备。

结合例子：

#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, 00644);
 if(fd < 0){
 perror("open");
 return 1;
 }
 printf("fd: %d\n", fd);
 fflush(stdout);
 
 close(fd);
 exit(0);
}

代码中，先是关闭了标准输出，然后要打开一个文件，通过文件描述符分配规则（分配空闲中最小的），此时会把1分配给这个刚打开的文件myfile，那么printf是通过stdout输出的，stdout是C语言封装的一个结构体FILE*，内部封装了fd=1，所以它还是会通过fd=1来找到要输出的文件，从而在myfile中输出数据。

所以重定向的原理其实就是用户层被封装的fd不变，操作系统内核内fd指向已经变了，从而通过改变不同的指向来实现输入、输出、追加重定向。

7.重定向的系统调用

重定向在底层是通过系统调用来实现的。在C语言中，我们可以使用dup2、close等系统调用来改变文件描述符的指向，从而实现重定向的功能。这些系统调用允许程序在运行时动态地改变IO流的方向，从而实现了灵活的文件处理机制。

总结：

文件操作主要由进程完成，这些进程通过操作系统来打开、处理和关闭文件。由于涉及到操作系统，我们引入了系统调用和文件描述符等概念。在OS内核中，文件的管理遵循"先描述，再组织"的原则。为了实现用户层的输入/输出重定向，我们利用用户层和内核层数据的不一致性，修改内核层中文件描述符的指向实现重定向功能。

简而言之，进程通过系统调用和文件描述符与操作系统交互，实现对文件的操作，并可通过修改文件描述符的指向实现重定向功能。