Linux第18节 --- 重定向与文件IO的基本认识
一、引入一些文件的共识原理：
- 文件 = 内容 + 属性；
- 文件分为打开的文件和没被打开的文件；
- 打开的文件是谁打开的？（进程！）因此本质上是研究进程和文件之间的关系！
- 没打开的文件在哪里放着？（磁盘上！）此时我们应该关注什么问题？（没有被打开的文件非常多，文件如何被分门别类的放置好，即文件应该如何存储？---> 这样做的目的是方便我们快速的找到文件并进行 增删查改的工作！）
文件被打开，首要的是必须被加载到对应的内存当中(理想情况是内容和属性都加载，但是属性是必须的，内容如果不进行读取等操作可以不加载)；
一个进程可以打开多个文件；
对文件的管理即：先描述再组织！
默认情况下，C/C++会打开三个标准流(输入，输出，错误) --- > 一个进程可以打开多个文件；
当以"w"的形式读取一个文件的时候，如果该文件不存在，会创建一个新文件；
此时创建文件的时候，默认是在当前路径下创建文件！(什么是当前路径？)
即当前该进程运行的时候，所对应的路径！
这里我们可以通过proc目录下的cwd查看当前进程的当前路径！
当前路径：当前进程的cwd路径！
如果我们想要改变当前的工作路径，可以通过系统调用接口chdir来实现！
如下所示：
此时新创建的文件就会在我们chdir指定的路径中！
接下来我们介绍两个C语言中关于文件的函数：
1、fopen函数：打开文件
fopen用于打开文件并建立文件流，其原型为：
FILE *fopen(const char *filename, const char *mode); - 参数：
filename：文件名（含路径），需注意路径中的转义字符（如C:\\file.txt需写成"C:\\\\file.txt"） 。
mode：文件打开模式，决定读写权限和操作方式（见下表）。
- 返回值：成功返回
FILE指针，失败返回NULL，需通过判断返回值确保文件打开成功 。
2. 文件打开模式
- 注意事项：
"r"模式下文件不存在会失败，而"w"和"a"会自动创建文件 。
- 二进制模式（
b）用于非文本数据（如图片、结构体），避免编码转换问题 。
总结：w方法在写入前会对文件进行清空！
类似的，在之前我们使用的输出重定向也是以 "w"的形式进行写入的！
2、fwrite函数：写入数据
1. 功能与原型
fwrite用于将数据块写入文件，支持二进制操作，其原型为：
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream); - 参数：
ptr：待写入数据的指针（如数组、结构体地址）。size：单个数据块的字节数（如sizeof(int)）。nmemb：数据块数量。stream：由fopen返回的文件指针 。
- 返回值：实际写入的数据块数目，若与
nmemb不同可能表示错误 。
写入字符串的时候，如果写入的字符包含\0，此时就会以乱码的形式显示！
因此我们写入字符串的时候不要带\0！！！
带\0是C语言的规定，但是对于写入到文件的内容来说，是需要其他人或软件或语言来读取的，这种读取和C语言的规定没有关系！
a方式写入是在文本末尾追加的形式写入！如果该文件不存在此时也会创建文件！
对于重定向：>是以w的方式打开 >>是以a的方式打开！
二、认识文件的系统调用
这里，当我们的文件还没有被加载的时候，是存放在磁盘当中的，因此访问磁盘文件，实际上就是访问硬件！
而用户如果需要访问硬件，那么只能经过操作系统；
而操作系统不相信用户，因此只能通过系统调用接口来进行访问；
此时的printf/fprintf/fscanf/fwrite等库函数实际上底层调用的就是系统调用接口！
上面一个函数经常用于当前文件已经存在，我们要对其进行写入；
下面一个函数经常用于当前文件不存在，此时我们要进行写入的时候需要调整其权限！
使用open的示例代码：
注意点一：如果该文件不存在，此时我们还需要 + O_CREAT这个选项；
这时候显示的代码权限完全不正确！
这是因为在Linux中，如果我们新建文件，必须要指定文件的权限！
所以此时我们还需要第三个参数！
但是这里当我们指定权限为666的时候，最后的权限结果却为664！
这是因为还存在权限掩码！
因为我们可以调用一个系统调用接口为umask来改变当前进行的掩码！
该设置不会影响这个系统，但是会影响该进程！
open成功后返回的整数是文件描述符！
如果我们想覆盖式写入:可以采用下面这个宏：O_TRUNC；
如果我们想追加写入，可以采用下面这种形式：O_APPEND；
因此此时我们可以推断出：对于上面的C语言类型的fopen，封装的系统调用一定是按照下面的形式进行的！
当一个进程打开多个文件的时候，此时需要对该文件进行组织！
即先描述再组织，这里也就是struct_file（描述已打开的文件的信息）；
struct_file里面包含了该的大部分信息；
deepseek解释如下：
在Linux内核中，struct file 是表示 已打开文件 的核心数据结构，用于管理文件在进程中的动态状态。以下是其关键特性的详细解析：
- 基本定义
struct file定义在include/linux/fs.h中，内核在调用open()打开文件时创建该结构体，关闭文件后释放 。
- 核心作用：
- 跟踪文件的 打开状态（如读写位置、权限模式等）。
- 关联文件操作函数（如
read、write），通过file_operations结构体实现。 - 存储进程与文件交互的上下文信息（如缓冲区、私有数据） 。
在进程task_struct结构体里面。包含了下面这个指针：struct files_struct *files(包含的是打开文件的信息)
这里的 struct files_struct *files是一个指向指针数组的指针！
即struct files_struct *files指向一个表，该表称为文件描述表；
里面存放的是已经打开的文件的信息，即struct_file;
当我们调用open的时候，返回的对象是一个int类型；该返回值实际上就是文件描述符表的下标！
结论：fd的返回值本质上是数组的下标！
此时无论是write / close实际上都是对这个下标对应的空间进行管理！
右边的struct file也需要用双链表进行联系！
用户自己用的时候，默认的第一个文件描述符是3！(失败返回-1）
0，1，2在系统打开的时候，已经被默认占用了！
操作系统中，只认fd！而其他的例如stdin，stdout，stderr都是C语言规定的！本质上只是再封装！
这里我们直接往1里面进行写入，实际上效果与printf没有区别！
（直接往2里面写效果也一样！）
接下来我们再尝试fd = 0的情况：
这里我们按照读取字符串的形式来读取，保险起见将字符数组最后一个元素设置为\0，方便操作系统能识别到是字符串！（最终效果和scanf一样！）
结论：stdin，stdout，stderr不是系统的特性！是操作系统的特性！系统会默认打开键盘和显示器！
问题：C语言中的FILE实际上是什么？
答：本质是C库自己封装的一个结构体！（这个结构体里面必须包含文件描述符！！！）
这里我们可以通过->来查看对应的文件描述符！！！
_fileno实际上就是我们对应的文件描述符
运行结果如下所示：
问题：当我们用close(1)将显示器关闭，此时再输出会出现什么结果？
此时printf无法打印正常的结果！(但是fprint会打印结果！)
printf返回值为打印的字符的个数！
fprint能打印出来的是因为其文件描述符指定的是2号！1号被关闭与它没影响！
struct file里面为了记录该文件被几个进程调用，此时会有一个变量count！
count是为了实现引用计数！
此时有几个文件描述符指向，对应的count就会有多少；
因此此时每close一个，对应的count --；
当count = 0；此时文件描述符表就会对该空间进行回收 + 数组下标置空！
三、重定向和缓冲区
当我们尝试创建一个文件并往里面写入东西时，如果我们先将close(0),即将键盘输入关闭，此时printf输出的fd即为0！
若close(1)，此时printf无法在显示器上打印！
如果我们将2关闭，即close(2)，此时printf会正常打印，且打印结果为2！
因此此时我们可以得到一下结论：
文件描述符对应的分配规则是什么？
从0下标开始，依次寻找从0开始的最小数组下标位置，它的下标就是新文件的文件描述符；
接下来我们做一个测试：close(1)，然后依次往显示器中写入，看最终的结果是什么？
此时我们可以发现：最终应该显示在显示器中的文件，却写入到文件中！
本来应该写入到显示器中的文件，最后却写入到文件中！这个现象叫做输出重定向！
解释现象：因为刚开始我们就进行了close(1)，因此此时创建的fd就是1！然后我们在write在1中写入也就是在fd中写入！最终写入到文件中！
整体的流程如上所示：主要是对应的文件描述符表的1号下标中的显示器替换为此时我们的log.txt!
重定向的系统调用接口
共有dup1，dup2和dup3，其中最常用的是dup2！
思路：此时我们仅需要将三号的对应的文件的地址覆盖到一号即可；
dup2函数
newfd最终会被oldfd所覆盖！ (这里的newfd为1，oldfd为log.txt)
实际上是文件描述符对应的指针内容进行了拷贝！
这里我们通过重定向可以实现和之前一样的效果！
这里我们再将对应的fd设置为O_APPEND，即为追加重定向！
这里对于read系统调用接口：count指的是期望读取的字节格式；
返回值为实际上读取的字节个数！
输入重定向：默认从键盘读取数据，然后改成从文本中读取数据；
我们通过dup2将fd重定向到键盘中，然后此时通过read要从键盘当中读取，直接变成了从文件当中读取！
效果与我们之前通过cat实现的输入重定向一样：
问题：重定向会影响程序替换吗？
当我们进行重定向得到时候，实际上改变的都是左侧的内核数据结构！和右边的对应的进程的结构无关！
问题：标准输出stdout和标准错误stderr有什么区别？
假设当前我们有如下所示的代码：
如果我们正常进行打印:
在显示器上两个结果都能显示；
如果我们进行重定向：
结果为：只有stdout的内容会被重定向到文件中；stderr的内容打印在显示器中；
这是因为这里只有显示器1被重定向！显示器2没有!
接下来我们可以尝试这样子进行重定向：
./mytest 1>normal.log 2>err.log实际上是分别对1和2进行了重定向！
我们还可以下面这种方式进行写入：
2>&1（把1号文件描述符对应的内容写入到2号文件描述符当中！）
刚开始1已经写入到all.log当中，然后此时对应的内容写入到2当中！（2和1一样！）
2>&1 的语法解析（deepseek）
>：表示输出重定向。例如> file默认将 stdout（fd=1）重定向到文件。2>：表示将 stderr（fd=2）重定向到指定目标。&1：&符号表示后面的1是文件描述符（而非普通文件名）。&1指代当前 stdout 指向的位置。
四、如何理解一下Linux中的一切皆文件？
我们从下面往上面看：
- 当前我们的计算机有各种不同的零件，操作系统可以对这些硬件进行描述，即struct_device，在这些结构体中主要包括硬件的输入（read）和输出（write） --- 如果有哪些硬件没有对应的方法，我们可以将其设置为空！；
- 而struct device这一层，实际上就是驱动层！
- 对于已打开的文件，会有一个对应的结构体struct file，而在这个结构体当中，有一个指向操作函数表的指针ops；
- 操作函数表operation_func中包含了一些文件和设备的具体操作，与struct_device对应！
因此当我们调用read这样的一个系统调用函数的时候，实际上是从task_struct结构体内获取到files的地址，即文件描述符表，根据对应的fd获取到对应数组位置上的指针，通过指针找到对应的struct file，而在struct file这个结构体中包含了调用函数的指针，再通过调用函数的指针ops找到对应驱动的读写方法！