惊！printf 不往屏幕输？都是 fd 在搞鬼！爆肝拆解 Linux 文件描述符 + 重定向底层，学会直接在终端横着走

文章目录

[一、文件](#一、文件)
- [1、基础知识](#1、基础知识)
- [2、C 文件接口](#2、C 文件接口)
- - [（1）代码示例](#（1）代码示例)
  - [（2）当前路径](#（2）当前路径)
  - [（3）文件权限](#（3）文件权限)
  - （4）w
  - （5）a
  - [（6）三个输入输出流](#（6）三个输入输出流)
- [3、分开显示 stdout 和 stderr](#3、分开显示 stdout 和 stderr)
- [4、基础知识](#4、基础知识)
- - （1）open
  - （2）close
  - （3）write
  - [（4）标志位传递方式](#（4）标志位传递方式)
[二、访问文件的本质](#二、访问文件的本质)
- [1、struct file](#1、struct file)
- 2、FILE
- 3、close(1)
- 4、fd
- 5、read
- [6、引用计数与关闭文件](#6、引用计数与关闭文件)
[三、重定向](#三、重定向)
- [1、文件描述符的分配规则](#1、文件描述符的分配规则)
- - [（1）原版代码](#（1）原版代码)
  - （2）close(0)
  - （3）close(1)
  - （4）close(2)
  - [（5）总结](#（5）总结)
- [2、重定向的原理](#2、重定向的原理)
- 3、dup2
- [4、输入重定向](#4、输入重定向)
- [5、追加重定向](#5、追加重定向)
- [6、输入重定向](#6、输入重定向)
- [7、printf 与 fprintf](#7、printf 与 fprintf)
[四、总结](#四、总结)

💻作者简介：曾与你一样迷茫，现以经验助你入门 Linux。

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📚系列专栏：Linux 探索之旅：从命令行到系统内核

✨代码趣语：当 0、1、2 先占满文件描述符的 "插槽"，open 总会寻着最小的空缺安家 - - - 每个 fd 的数字，都是进程与文件牵手的 "门牌号码"，藏着读写消息的去向。

💪代码千行，始于坚持，每日敲码，进阶编程之路。

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Linux 初学者常困惑：会用 > 重定向却不懂原理，知道 printf 输出却不明其与 "文件" 的关联，对 0、1、2 文件描述符更是茫然。这些疑问的核心，正是 "进程与文件的交互逻辑" - - - 本文以实操 + 原理为核心，从 "文件 = 内容 + 属性" 切入，讲清 C 库 / 系统调用用法，拆解文件描述符规则与重定向本质，搭配代码截图帮你打通 "命令 - 代码 - 内核" 链路。

一、文件

1、基础知识

文件 = 内容 + 属性
文件分为打开的文件和没有打开的文件。进程打开的文件，没打开的文件存储在磁盘上，没有打开的文件非常多。本质上是研究进程和文件的关系，要快速的对文件进行增删查改。
文件想要被打开首先应该被加载到内存。
进程：打开文件 = 1:n，一个进程可以打开多个文件。操作系统内部一定存在大量的被打开的文件。操作系统要管理被打开的文件，先描述，再组织。
在 Linux 内核中，一个被打开的文件都必须有自己的文件打开对象，包含文件的很多属性。

2、C 文件接口

C 语言文件操作

（1）代码示例

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
    printf("pid:%d\n",getpid());
    //打开文件的路径和文件名,默认在当前路径下创建一个文件
    FILE* pf = fopen("test.txt","w");
    if(pf == NULL)
    {
        perror("fopen fail");
        return 1;
    }
    fclose(pf);
    sleep(100);
    return 0;
}

（2）当前路径

当前路径指的是进程的当前路径 cwd，如果更改了当前进程的 cwd，就可以把文件新建到其他目录。

可以使用 ll /proc/进程的 PID 来查看进程的当前路径。

chdir

更改进程的工作目录。

在上面的代码中添加 chdir("/home/xpr/linux"); 可以更改进程的路径。

（3）文件权限

（4）w

将字符写入文件。如果没有文件则会创建文件，如果文件有内容则会清空。

fwrite

将字符写入到文件中。

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{
    printf("pid:%d\n",getpid());
    //打开文件的路径和文件名,默认在当前路径下创建一个文件
    FILE* pf = fopen("test.txt","w");
    if(pf == NULL)
    {
        perror("fopen fail");
        return 1;
    }
    const char* str = "hello linux";
    fwrite(str,strlen(str),1,pf);
    fclose(pf);
    return 0;
}

这里 strlen 不需要加 1 原因是因为如果加 1 会出现乱码，如下图所示。字符串以 \0 结尾是 C 语言的规定，和文件没有关系。

strlen + 1

strlen + 1 会在文件中出现 ^@，这个字符就是 \0。

echo 及输入重定向

类似的，echo 的输入重定向和 w 类似，如果没有文件则会创建，文件有内容则会清空。

（5）a

在文件结尾追加字符串，如果没有文件则会创建文件。

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{
    printf("pid:%d\n",getpid());
    //打开文件的路径和文件名,默认在当前路径下创建一个文件
    FILE* pf = fopen("test.txt","a");
    if(pf == NULL)
    {
        perror("fopen fail");
        return 1;
    }
    const char* str = "hello linux";
    fwrite(str,strlen(str)+1,1,pf);
    fclose(pf);
    return 0;
}

echo 及输出重定向

（6）三个输入输出流

所有的语言在启动时默认都会打开对应的设备文件，原因是因为电脑开机时就会打开显示器和键盘，编写代码时使用键盘输入，用显示器显示。C 语言的 3 个输入输出流。C 程序默认在启动时会打开三个标准输入输出流（文件）。
所有的语言对于文件的操作都包括文件描述符 fd

stdin ：键盘
stdout ：显示器文件
stderr ：显示器文件

3、分开显示 stdout 和 stderr

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.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(stderr,"hello error message\n");
    fprintf(stderr,"hello error message\n");
    fprintf(stderr,"hello error message\n");
    fprintf(stderr,"hello error message\n");
    return 0;
}

重定向以后，向 1 里面写入的内容都会写入 normal.txt 文件中。只对 1 重定向，没有对 2 重定向。

1 可以省略不写。stdout 和 stderr 可以重定向到 1 个文件中。

./mytest >err.txt 2>&1 先表示把 1 号文件描述符的内容写入 err.txt 中，然后 2>&1 表示把 2 号文件描述符中的内容写入 1 号文件描述符中。

fprintf

将字符写入文件或使用流。

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{
    printf("pid:%d\n",getpid());
    //打开文件的路径和文件名,默认在当前路径下创建一个文件
    FILE* pf = fopen("test.txt","a");
    if(pf == NULL)
    {
        perror("fopen fail");
        return 1;
    }
    const char* str = "hello linux";
    fprintf(stdout,"%s,%d\n",str,1234);
    fclose(pf);
    return 0;
}

4、基础知识

文件其实是在磁盘上的，磁盘是外部设备，访问文件其实是访问硬件。操作系统是硬件的管理者。几乎所有的库只要是访问硬件设备，必定要封装系统调用。

（1）open

打开或者创建文件或者设备，可以指定文件的权限，即文件是否存在。

flags

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{    
    umask(0); // 文件掩码
    int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
    if(fd<0)
    {
        printf("open fail\n");
        return 1;
    }
    return 0;
}

（2）close

关闭文件

文件描述符
file descriptor ：文件描述符，是 int 类型。

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{    
    umask(0); // 文件掩码
    int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
    if(fd<0)
    {
        printf("open fail\n");
        return 1;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

（3）write

向文件中写入文件描述符，返回值是实际写入的字节数。默认从文件的开始处写，不会对文件清空，让新增加的字符替换掉旧的字符。

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{    
    umask(0); // 文件掩码
    int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
    if(fd<0)
    {
        printf("open fail\n");
        return 1;
    }
    const char* str = "hello world";
    write(fd,str,strlen(str));
    close(fd);
    return 0;
}

（4）标志位传递方式

1 个整数可以传递 1 个标志位。

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#define ONE (1 << 0)  //1
#define TWO (1 << 1)  //2
#define THREE (1 << 2)//4
#define FOUR (1 << 3) //8
void show(int flags)
{
    if(flags&ONE)
    {
        printf("hello function1\n");
    }
    if(flags&TWO)
    {
        printf("hello function2\n");
    }
    if(flags&THREE)
    {
        printf("hello function3\n");
    }
    if(flags&FOUR)
    {
        printf("hello function4\n");
    }
}
int main()
{    
    show(ONE);
    printf("-----------\n");
    show(ONE|TWO);
    printf("-----------\n");
    show(ONE|TWO|THREE);
    printf("-----------\n");
    return 0;
}

二、访问文件的本质

1、struct file

操作系统内描述一个被打开文件的信息。

直接或者间接包含以下属性：

被打开的文件在哪个位置
基本属性、权限、大小、读写位置、谁打开的。
文件的内核缓冲区信息
struct file *next 指针。

对文件的操作改为对双向链表的增删查改。

一个进程可以打开多个文件，要建立进程 PCB 和打开文件的关系。

2、FILE

C 语言中的 FILE 是 C 库中自己封装的结构体，里面包含文件描述符。

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{   
    printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);
    printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);
    printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);
    return 0;
}

3、close(1)

printf

可以使用 close(1); 关闭显示器使 printf 无法显示在显示屏上。说明 printf 的底层使用了 1 号文件描述符。

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{  
    close(1);
    printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);
    printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);
    printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);
    return 0;
}

fprintf

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{  
    close(1);
    int ret = printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);
    printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);
    printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);
    fprintf(stderr,"printf ret:%d\n",ret);
    return 0;
}

如果关闭了 1 号文件描述符，使用 2 号文件描述符也可以在显示器上输出。

4、fd

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{    
    umask(0); // 文件掩码
    int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
    int fd2 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
    int fd3 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
    int fd4 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);
    printf("fd1:%d\n",fd1);
    printf("fd2:%d\n",fd2);
    printf("fd3:%d\n",fd3);
    printf("fd4:%d\n",fd4);
    close(fd1);
    close(fd2);
    close(fd3);
    close(fd4);
    return 0;
}

返回的整数值都是数组的下标且都是整数，返回的整数值都是从 3 开始的。0 是 stdin（键盘文件），1 是 stdout（显示器文件），2 是 stderr（显示器文件）。

验证

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{   
    const char* str = "hello linux";
    write(1,str,strlen(str));
    write(2,str,strlen(str));
    return 0;
}

5、read

从文件描述符中读取。

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{   
    char buf[100];
    ssize_t count = read(0,buf,sizeof(buf));
    if(count < 0)
    {
        return 1;
    }
    buf[count] = '\0';
    printf("%s\n",buf);
    return 0;
}

6、引用计数与关闭文件

引用计数

关闭文件时，使用 close 时，对 1 号描述符的引用计数减 1，然后将 1 号指针位置置空即可，然后判断引用计数是否为 0，如果为 0，则说明没有文件被使用，系统会回收 struct 对象。如果不为 0，则说明还有文件被使用。

三、重定向

1、文件描述符的分配规则

（1）原版代码

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  
    int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0666);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open fail");
        return 1;
    }
    printf("fd:%d\n",fd);
    const char* str = "hello world\n";
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        write(fd,str,strlen(str));
        cnt--;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

此时文件描述符为 3，log.txt 所对应的文件权限为 664。

（2）close(0)

在代码最前面添加 close(0)，输出的文件描述符为 0。

（3）close(1)

在代码最前面添加 close(1)

因为 printf 的底层使用了 stdout，stdout 的文件描述符为 1，这里将 1 关闭，无法在显示器上输出。

（4）close(2)

在代码最前面添加 close(2)

关闭 2 号文件描述符后，输出的文件描述符为 2。

（5）总结

关闭几号文件描述符，文件描述符就输出几号，说明文件描述符对应的分配规则是从 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。

2、重定向的原理

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  
    close(1);
    int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0666);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open fail");
        return 1;
    }
    const char* str = "hello world\n";
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        write(1,str,strlen(str));
        cnt--;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

关闭 1 号文件描述符后，结果没有在显示器中显示，却写入了文件中。

关闭 1 号文件描述符后，此时打开文件，文件原来应该指向 3 号文件描述符，现在被改成了 1 号文件描述符，此时发生了输入重定向。

重定向的本质是对数组下标的内容进行了修改。如果想要发生重定向需要将原来文件描述符中的内容关闭或者覆盖掉即可。

3、dup2

拷贝文件描述符的指针内容，将新的文件描述符的内容拷贝给旧的文件描述符，然后关闭新的文件描述符。

4、输入重定向

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  
    int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0666);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open fail");
        return 1;
    }
    //重定向
    dup2(fd,1);
    close(fd);
    const char* str = "hello world\n";
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        write(1,str,strlen(str));
        cnt--;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

原来 1 号文件描述符可以将内容输出到显示器中，重定向以后显示器无法输出内容，输出的是文件的内容。

5、追加重定向

将 write 中的 O_TRUNC 改成 O_APPEND 即可实现追加重定向。

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  
    int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND,0666);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open fail");
        return 1;
    }
    //重定向
    dup2(fd,1);
    close(fd);
    const char* str = "hello world\n";
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        write(1,str,strlen(str));
        cnt--;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

6、输入重定向

javascript 复制代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{
    int fd = open(filename,O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    dup2(fd,0);//从标准输入读取改为从文件中读取
    char buf[1024];
    ssize_t s = read(0,buf,sizeof(buf)-1);
    if(s>0)
    {
        buf[s]='\0';
        printf("echo:%s\n",buf);
    }
    return 0;
}

cat 的输入重定向

从文件中读取改为从键盘中读取。

7、printf 与 fprintf

printf 和 fprintf 用的都是 stdin，可以修改文件描述符，改变输出的位置。

javascript 复制代码

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

如何理解 "linux 中一切皆文件"

所有操作计算机的动作都是以进程的形式操作的，所有访问文件的操作都是用进程的方式访问文件的。

四、总结

本文已帮你掌握 Linux 文件操作核心：文件定义、文件描述符、重定向本质，及 C 库与系统调用的关系，也理解了 "一切皆文件" 的设计。这些知识是后续进程通信、网络编程的基础。建议动手修改代码加深理解，关注专栏 Linux 探索之旅：从命令行到系统内核，后续将解锁更多进阶内容，帮你搭建系统编程知识体系。

惊！printf 不往屏幕输？都是 fd 在搞鬼！爆肝拆解 Linux 文件描述符 + 重定向底层，学会直接在终端横着走

文 章 目 录

一、文 件

1、基 础 知 识

2、C 文 件 接 口

（1）代 码 示 例

（2）当 前 路 径

（3）文 件 权 限

（4）w

（5）a

（6）三 个 输 入 输 出 流

3、分 开 显 示 stdout 和 stderr

4、基 础 知 识

（1）open

（2）close

（3）write

（4）标 志 位 传 递 方 式

二、访 问 文 件 的 本 质

1、struct file

2、FILE

3、close(1)

4、fd

5、read

6、引 用 计 数 与 关 闭 文 件

三、重 定 向

1、文 件 描 述 符 的 分 配 规 则

（1）原 版 代 码

（2）close(0)

（3）close(1)

（4）close(2)

（5）总 结

2、重 定 向 的 原 理

3、dup2

4、输 入 重 定 向

5、追 加 重 定 向

6、输 入 重 定 向

7、printf 与 fprintf

四、总 结

文章目录

一、文件

1、基础知识

2、C 文件接口

（1）代码示例

（2）当前路径

（3）文件权限

（6）三个输入输出流

3、分开显示 stdout 和 stderr

4、基础知识

（4）标志位传递方式

二、访问文件的本质

6、引用计数与关闭文件

三、重定向

1、文件描述符的分配规则

（1）原版代码

（5）总结

2、重定向的原理

4、输入重定向

5、追加重定向

6、输入重定向

四、总结