【Linux】重定向 | 为什么说”一切皆文件？“

mit6.8242024-07-14 19:40

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前言

1.文件描述符分配规则

[2.dup2 重定向接口](#2.dup2 重定向接口)

3.重定向

3.1>输出重定向

3.2>>追加重定向

3.3<输入重定向

[3.4 shell 模拟实现< >](#3.4 shell 模拟实现< >)

[3.5 理解>](#3.5 理解>)

[4. 理解"Linux 下一切皆文件"](#4. 理解“Linux 下一切皆文件”)

前言

问：fd 为什么默认从 3 开始，而不是从 0,1,2?

💬 前面还存在默认标准文件，stdin, stdout, stderr ，和 0,1,2一一对应

验证：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
 
int main(void)
{
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    } 
 
    printf("fd: %d\n", fd);
 
    close(fd);
}

1.文件描述符分配规则

❗ 从 0 下标开始，寻找最小的没有使用的数组位置，它的下标就是新文件的文件描述符

（1） 关闭0，对返回的 fd 进行测试

 int main(void)
{
    close(0);
    int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    } 
 
    printf("fd: %d\n", fd);
 
    close(fd);
}

运行：

（2）关闭 1

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
// close(0);
// close(2);
close(1);
umask(0);
int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
if(fd == -1)
{
perror("open");
exit(1);
}
printf("fd:%d\n",fd);

//这里必须刷新一下，不然log.txt里面没有内容，这里和缓冲区有关，下面讲                                                                                                                  
fflush(stdout);      
close(fd);           
                 
return 0;
}

运行;

❓ 本来应该直接打到显示器上的消息，打印到了 log.txt 上，是为什么呢?

A: 进程不 care 1 文件发生的变化，先关闭再 open，根据验证规则，会实现对 1 文件的补充重定向

❗ 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* 地址

2.dup2 重定向接口

man dup2

NAME 中提到：dup 复制文件描述符

函数功能：

  • dup2函数将文件描述符oldfd复制到newfd，并返回一个新的文件描述符。如果newfd已经打开，则将先关闭它。新的文件描述符将继承oldfd的文件状态标志（例如，文件偏移量、文件访问模式等）。

函数返回值：

  • 成功时，返回新的文件描述符；失败时，返回-1，并设置errno变量来指示错误类型。

具体应用： new be old ，新的被老的覆盖，所以保留的是 old，dup2（old, new),所以前一个文件会拷贝形成 double 份，如果想实现对之前操作的实现，即 dup2(fd,1)

tip: 拷贝的是下标指针 struct 的 拷贝替换

#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
   // close(0);
   // close(2);
   // close(1);
   umask(0);
   int fd=open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
   if(fd == -1)
   {
       perror("open");
       exit(1);
   }
   //重定向
   dup2(fd,1);
   printf("fd:%d\n",fd);

   //这里必须刷新一下，不然log.txt里面没有内容
   fflush(stdout);
   close(fd);

   return 0;
}

运行：

fd 覆盖了 log,应该输出到 1 中的，就到 fd 文件里面了

3.重定向

3.1>输出重定向

上面内容就是输出重定向，把新打开文件的fd重定向到fd为1（默认为显示器）的位置。

3.2>>追加重定向

实现在文件原内容后面的添加

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>

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);
   if(fd == -1)
   {
       perror("open");
       exit(1);
   }
   //重定向
   dup2(fd,1);
   printf("add hello\n");

   //这里必须刷新一下，不然log.txt里面没有内容                                                                           
   fflush(stdout);                                                                                                       
   close(fd);                                                                                                            

   return 0;                                                                                                             
}

3.3<输入重定向

测试：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>

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 == -1)
    {
        perror("open");
        exit(1);
    }
    //输入重定向
    dup2(fd,0);
    char outbuffer[64];
    while(1)
    {
        printf("<");
        if(fgets(outbuffer,sizeof(outbuffer),stdin) == NULL) break;
        printf("%s",outbuffer);
    }
    return 0;
}

输入重定向:

  • 使用 dup2(fd, 0) 将文件描述符 fd 重定向到标准输入（文件描述符0），即从此程序的标准输入将从 log.txt 读取。

读取并输出内容:

  • 声明一个字符数组 outbuffer[64] 用于存储从标准输入读取的内容。
  • 使用 while 循环不断读取标准输入（现在是 log.txt 的内容）直到文件结束。
  • printf("<") 打印一个提示符。
  • fgets(outbuffer, sizeof(outbuffer), stdin) 从标准输入读取一行，如果读取失败（例如文件结束），则退出循环。
  • printf("%s", outbuffer) 将读取的内容打印到标准输出。

❗ fgets(stdin)的显示，由键盘变为了从文件中读取，后并打印

C++联动：

>输入（将内容添加到文件之中），<读取（由从键盘读取变为了从某文件读取 fgets 0->fgets file）

3.4 shell 模拟实现< >

思路：

头文件

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>
#include <ctype.h>

// 定义重定向类型
#define NONE 0
#define IN_RDIR 1
#define OUT_RDIR 2
#define APPEND_RDIR 3

#define LEFT "<"
#define RIGHT ">"
#define LABLE "$"

// 全局变量用于重定向
char *rdirfilename;
int rdir = NONE;
int lastcode;
int quit = 0;
char commandline[1024];

// 函数声明
void getpwd();
char* getusername();
char* gethostname1();
void check_redir(char *cmd);
void interact(char *cline, int size);
void NormalExcute(char *_argv[]);
  1. check_redir：

  • 该函数处理命令字符串以识别和处理输入（<）、输出（>）和追加（>>）重定向。它更新命令字符串以排除重定向部分，并相应地设置全局变量 rdirfilename 和 rdir。

    // 检查并处理命令中的重定向
    void check_redir(char *cmd) {
    char *pos = cmd;
    while (*pos) {//遍历pos
    if (pos == '>') {//查找重定向符号，对之后实现替换
    if (    (pos + 1) == '>') {//追加重定向
    *pos++ = '\0';
    *pos++ = '\0';//切换字符并跳过
    while (isspace(*pos)) pos++;//后面的判断怎么理解呢
    rdirfilename = pos;//将文件名赋给
    rdir = APPEND_RDIR;//命令行操作
    break;
    } else {
    *pos = '\0';
    pos++;
    while (isspace(*pos)) pos++;
    rdirfilename = pos;
    rdir = OUT_RDIR;
    break;
    }
    } else if (*pos == '<') {
    *pos = '\0'; // ls -a -l -n < filename.txt
    pos++;
    while (isspace(*pos)) pos++;
    rdirfilename = pos;
    rdir = IN_RDIR;
    break;
    }
    pos++;
    }
    }

  1. interact：

    • 该函数提示用户输入，获取命令行，并调用 check_redir 处理任何重定向。

      void interact(char *cline, int size) {
      getpwd();//获取当前工作目录并打印提示符
      printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusername(), gethostname1(), pwd);
      char *s = fgets(cline, size, stdin);//获取命令行输入
      assert(s);
      (void)s;
      cline[strlen(cline) - 1] = '\0';//移除换行符
      check_redir(cline);//处理重定向符号
      }

  1. NormalExcute：

    • 该函数创建一个新进程来执行给定的命令。如果设置了任何重定向，它会在执行命令之前相应地调整文件描述符。

      // Function to execute commands
      void NormalExcute(char *_argv[]) {
      pid_t id = fork();
      if (id < 0) {
      perror("fork");
      return;
      } else if (id == 0) {
      int fd = 0;

          if (rdir == IN_RDIR) {//对标记的rdir进行操作判断
        fd = open(rdirfilename, O_RDONLY);
        dup2(fd, 0);
    } else if (rdir == OUT_RDIR) {
        fd = open(rdirfilename, O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
        dup2(fd, 1);
    } else if (rdir == APPEND_RDIR) {
        fd = open(rdirfilename, O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);
        //打开操作的mode设置
        dup2(fd, 1);//对文件进行重定向
    }
    
    execvp(_argv[0], _argv);
    exit(EXIT_FAILURE);
} else {
    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);
    if (rid == id) {
        lastcode = WEXITSTATUS(status);
    }
}

      }

  1. main：

    • 程序的主循环初始化重定向设置，与用户交互以获取命令，将命令行输入分割成参数，并调用 NormalExcute 执行命令。

      int main() {
      while (!quit) {
      rdirfilename = NULL;
      rdir = NONE;
      interact(commandline, sizeof(commandline));

          // Tokenize the command line input into arguments
    char *argv[64];
    int argc = 0;
    char *token = strtok(commandline, " ");
    while (token != NULL) {
        argv[argc++] = token;
        token = strtok(NULL, " ");
    }
    argv[argc] = NULL;

    if (argc > 0) {
        NormalExcute(argv);
    }
}
return 0;

      }

  1. 占位符函数：

    • getpwd、getusername 和 gethostname1 是用于获取当前工作目录、用户名和主机名的占位符函数，应根据需要实现实际功能。

      void getpwd() {
      // Implement function to get current working directory
      }

      char* getusername() {
      // Implement function to get the username
      return "user";
      }

      char* gethostname1() {
      // Implement function to get the hostname
      return "hostname";
      }

运行：

思考：

问：后面我们做了重定向的工作，后面我们在进行程序替换的时候，难道不影响吗？？？

不影响

❗ 程序替换，和文件访问是并列的关系，mm_struct && file_struct ，程序替换，只会替换代码和数据，不影响曾经打开的重定向文件

联系：可以通过对文件调动，为进程替换提供良好的环境

问：子进程重定向会影响父进程吗？

不会

❗ 子进程会对父进程进行写实拷贝

3.5 理解>

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

#define filename "log.txt"

int main()
{
    fprintf(stdout, "hello normal message\n");
    fprintf(stdout, "hello normal message\n");
    fprintf(stdout, "hello normal message\n");
    fprintf(stdout, "hello normal message\n");
    fprintf(stdout, "hello normal message\n");

    fprintf(stderr, "hello error message\n");
    fprintf(stderr, "hello error message\n");
    fprintf(stderr, "hello error message\n");
    fprintf(stderr, "hello error message\n");
    fprintf(stderr, "hello error message\n");

测试：

./mytest 1>nomal.log 2>err.log
//合并
./mytest 1>all.log 2>&1 //实现了覆盖

>默认指向的是 1，那 2 的设置有什么意义呢？

意义： 将错误信息和正确信息分开放了，便于程序员的查看

❗ 对于重定向的记忆

cat(cout)<<输出

>>(cin)输入到

和原理毫不相关，就是用着发现这样挺好记忆的

4. 理解"Linux 下一切皆文件"

🔔 进程通过对文件的管理实现了对设备的管理，设备的信息其实也是以文件的形式存储了

这里可能有这样一个问题，如果同一个文件被多个指针指向，但是某个进程把这个文件关了，会不会影响其他进程对这个文件的操作呢？

A: 其实并不会，一个被打开的文件有引用计数。

表明有几个指针指向这个文件，这样做是因为一个文件可能被多个指针指向。如果某个进程关闭文件，影响到其他进程，就不能保证进程的独立性。close关闭文件，其实并不是真正关闭文件，只是把引用计数减1，当只有一个指针指向这个文件，close关闭文件才是真正关闭这个文件。

文件有*write file 指针，屏蔽掉了设备的差异化，通过指针指向//C++联想：多态，奇类，派生类

思考：

  1. 面向对象，是历史的必然，是先进的表现

  2. 万变不离其宗：

学习了底层知识，就可以是我们面对各种语言进行文件读取时，读读文档，就能上手操作了

学习思考：通过不断的实验和提问，来进行学习

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