基础IO--文件描述符和重定向（dup2系统调用）

Posted 2023-02-13 你快看看我

操作文件，除了使用C接口（库函数），我们还可以采用系统接口来进行文件访问
open close read write lseek都属于系统提供的接口，称之为系统调用接口
举例介绍open接口

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

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

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

一.文件描述符fd

Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入0，标准输出1，标准错误2。0,1，2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器

一个进程可能打开多个文件，文件描述符就是从0开始的小整数，本质是数组下标。当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。于是就有了file结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行open系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针*files, 指向一张表files_struct,该表最重要的部分就是包涵一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针！所以，本质上，文件描述符就是该数组的下标。所以，只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件
文件描述符的规则：在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

二.重定向

#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);

我们关闭1，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:>, >>, <。
请问fopen做了什么？给调用的用户申请file_struct结构体变量，并返回地址（file*）;在底层通过open打开文件，并返回fd，把fd填充进file变量中的inode
为什么在代码尾处要加 fflush(stdout)呢？以下解释是在没有加 fflush(stdout)情况下。我们先关闭了描述符1（1指向显示器），现在关闭后1号文件描述符空出来，打开一个新的文件myfile，1号描述符本来指向显示器，现在指向myfile。file_struct内部我们只关闭了1号描述符，stdout还在，所以stdout对应的文件描述符还是1，接下来直接打印时，这个数据并没有直接刷新到操作系统底层，而是把数据放到了C语言提供的file结构的缓冲区里，还没来得及进程退出刷新，关闭了fd，此时fd就是1，没了1之后，进程退出时消息无法由用户从语言层刷新到操作系统底层，所以我们看不到数据的结果。 加上fflush(stdout)就可以了。但是 fflush(stdout)之前一条printf(“fd: %d\\n”, fd);明明已经有\\n为什么没有刷新呢？是因为显示器为行刷新，当close(1)，又打开新文件时普通文件为全缓冲。

重定向的本质是修改，文件描述符fd下标对应的struct file*的内容

三.使用dup2系统调用

函数原型如下：

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

注：不是拷贝fd！而是拷贝fd对应的数组中的内容，new是old的一份拷贝，数组内容最后和old一致

四.FILE

因为IO相关函数与系统调用接口对应，并且库函数封装系统调用，所以本质上，访问文件都是通过fd访问的。所以C库当中的FILE结构体内部，必定封装了fd

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()

     const char *msg0="hello printf\\n";
     const char *msg1="hello fwrite\\n";
     const char *msg2="hello write\\n";
     
     printf("%s", msg0);
     fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);
     write(1, msg2, strlen(msg2));
     
     fork();
     
     return 0
 

运行结果：

hello printf
hello fwrite
hello write

但如果对进程实现输出重定向呢？ ./hello > file ， 我们发现结果变成了：

hello write
hello printf
hello fwrite
hello printf
hello fwrite

（1）一般C库函数写入文件时是全缓冲的，而写入显示器是行缓冲。
（2）printf fwrite 库函数会自带缓冲区（进度条例子就可以说明），当发生重定向到普通文件时，数据的缓冲方式由行缓冲变成了全缓冲。
（3）而我们放在缓冲区中的数据，就不会被立即刷新，甚至fork之后
（4）但是进程退出之后，会统一刷新，写入文件当中。
（5）但是fork的时候，父子数据会发生写时拷贝，所以当你父进程准备刷新的时候，子进程也就有了同样的一份数据，随即产生两份数据。
（5）write 没有变化，说明没有所谓的缓冲。
综上： printf fwrite 库函数会自带缓冲区，而 write 系统调用没有带缓冲区。另外，我们这里所说的缓冲区，
都是用户级缓冲区。其实为了提升整机性能，OS也会提供相关内核级缓冲区，不过不再我们讨论范围之内。
那这个缓冲区谁提供呢？ printf fwrite 是库函数， write 是系统调用，库函数在系统调用的“上层”， 是对系统
调用的“封装”，但是 write 没有缓冲区，而 printf fwrite 有，足以说明，该缓冲区是二次加上的，又因为是
C，所以由C标准库提供。