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【Linux学习笔记】系统文件IO之重定向原理分析

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前言

哈喽，各位小伙伴大家好!上期我们讲了进程替换和自定义shell 今天我们讲的是系统文件IO之重定向原理分析。话不多说，我们进入正题！向大厂冲锋！

一. 系统文件I/0

打开文件的方式不仅仅是fopen，ifstream等流式，语言层的方案，其实系统才是打开文件最底层的方案。不过，在学习系统文件IO之前，先要了解下如何给函数传递标志位，该方法在系统文件IO接口中会使用到：

1.1 一种传递标志位的方法

#include <stdio.h>#define ONE    
#define TWO    
0001 //0000 00010002 //0000 0010#define THREE  0004 //0000 0100void func(int flags) {if (flags & ONE) printf("flags has ONE! ");if (flags & TWO) printf("flags has TWO! ");if (flags & THREE) printf("flags has THREE! ");printf("\n");}int main() {func(ONE);func(THREE);func(ONE | TWO);func(ONE | THREE | TWO);return 0;}

操作文件，除了上小节的C接口（当然，C++也有接口，其他语言也有），我们还可以采用系统接口来]进行文件访问，先来直接以系统代码的形式，实现和上面一模一样的代码：

1.2 hello.c写文件:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{umask(0);int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);if (fd < 0) {perror("open");return 1;}int count = 5;const char* msg = "hello bit!\n";int len = strlen(msg);while (count--) {}write(fd, msg, len);//fd: 后⾯讲，msg：缓冲区⾸地址，len :本次读取，期望写⼊多少个字节的数据。//返回值：实际写了多少字节数据close(fd);return 0;
}

1.3 hello.c读文件

 #include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <string.h>int main(){int fd = open("myfile", O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");return 1;}const char *msg = "hello bit!\n";char buf[1024];while(1){ssize_t s = read(fd, buf, strlen(msg));//类⽐write if(s > 0){printf("%s", buf);}else{break;}}close(fd);return 0;}

1.4 接口介绍

open man open

 #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

mode_t理解：直接man手册，比什么都清楚。
open函数具体使用哪个，和具体应用场景相关，如目标文件不存在，需要open创建，则第三个参数表示创建文件的默认权限,否则，使用两个参数的open。
write read closelseek，类比c文件相关接口。

1.5 open函数返回值

在认识返回值之前，先来认识一下两个概念：系统调用和库函数

• 上面的 fopen fclose fread fwrite 都是C标准库当中的函数，我们称之为库函数（libc）。
• 而 open close read write lseek 都属于系统提供的接口，称之为系统调用接口
• 回忆一下我们讲操作系统概念时，画的一张图
  

系统调用接口和库函数的关系，一目了然。
所以，可以认为，f#系列的函数，都是对系统调用的封装，方便二次开发。

1.6 文件描述符fd

• 通过对open函数的学习，我们知道了文件描述符就是一个小整数

1.6.1 0&1&2

• 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
  所以输入输出还可以采用如下方式：

 #include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <string.h>int main(){char buf[1024];ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf));if(s > 0){buf[s] = 0;write(1, buf, strlen(buf));write(2, buf, strlen(buf));}return 0;}

而现在知道，文件描述符就是从0开始的小整数。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含一个指针数组，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。

1.6.2 文件描述符的分配规则

直接看代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main(){int fd = open("myfile", O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n", fd);}close(fd);return 0;
}

输出发现是fd：3
关闭0或者2，在看

#include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>int main(){close(0);//close(2);int fd = open("myfile", O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n", fd);close(fd);return 0;}

发现是结果是：fd：0或者fd2，可见，文件描述符的分配规则：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。

1.6.3 重定向

那如果关闭1呢？看代码：

#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);}

此时，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：>，>>，<

那重定向的本质是什么呢？

1.6.4 使用dup2系统调用

函数原型如下：

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

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int main() {int fd = open("./log", O_CREAT | O_RDWR);if (fd < 0) {perror("open");return 1;}close(1);dup2(fd, 1);for (;;) {char buf[1024] = {0};ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);if (read_size < 0) {perror("read");break;}printf("%s", buf);fflush(stdout);}return 0;
}

printf是C库当中的IO函数，一般往stdout中输出，但是stdout底层访问文件的时候，找的还是fd:1，但此时，fd:1下标所表示内容，已经变成了myfifile的地址，不再是显示器文件的地址，所以，输出的任何消息都会往文件中写入，进而完成输出重定向。那追加和输入重定向如何完成呢?

1.6.5 在minishell中添加重定向功能

先定义一个整数记录重定向方式 一个字符串记录重定向文件

TrimSpace跳过重定向字符后的空格 指向文件名开始位置
每次调用RedirCheck先清空文件和让文件描述符为0
然后从后向前查找 > >> <
每次让命令行参数表清空重定及其之后的内容 设置为\0即可 命令正常执行
然后根据找到的符号 调用跳过空格函数 在让文件名指向end之后的内容
设置重定向方式即可
Execute根据redir 调用open打开文件 然后dup2重定向即可
之后再让子进程正常执行即可

• 问题：进程替换会不会影响重定向结果？

不会 因为进程替换只是替换程序的代码和数据
而文件结构体和文件描述符等内核数据结构不受到影响。

#define NONE_REDIR 0
#define INPUT_REDIR 1
#define OUTPUT_REDIR 2
#define APPEND_REDIR 3
int redir = NONE_REDIR;
std::string filename;
void RedirCheck(char cmd[])
{redir = NONE_REDIR;filename.clear();int end = strlen(cmd)-1;while (end > 0){if (cmd[end] == '>'){if (cmd[end - 1] == '>'){cmd[end - 1] = 0;redir = APPEND_REDIR;}else{cmd[end] = 0;redir =OUTPUT_REDIR;}TrimSpace(cmd, ++end);filename = cmd + end;break;}else if (cmd[end] == '<'){cmd[end] = 0;redir = INPUT_REDIR;TrimSpace(cmd, ++end);filename = cmd + end;break;}else{end--;}}
}
int Execute()
{pid_t id = fork();if (id == 0){int fd = -1;// 子进程检测重定向情况if (redir == INPUT_REDIR){fd = open(filename.c_str(), O_RDONLY);if (fd < 0) exit(1);dup2(fd, 0);close(fd);}else if (redir == OUTPUT_REDIR){fd = open(filename.c_str(), O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);if (fd < 0) exit(2);dup2(fd, 1);close(fd);}else if (redir == APPEND_REDIR){fd = open(filename.c_str(), O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);if (fd < 0) exit(2);dup2(fd, 1);close(fd);}execvp(g_argv[0], g_argv);exit(1);}int status = 0;pid_t rid=waitpid(id, &status, 0);if (rid > 0){lastcode = WEXITSTATUS(status);}return 0;
}
int main()
{//初始化环境变量表InitEnv()**加粗样式**;while (1){//打印命令行提示符PrintCommandPrompt();//获取命令行输入char commandline[COMMAND_SIZE];if (!GetCommandLine(commandline, sizeof(commandline))){continue;}RedirCheck(commandline);cout << redir << "->" << filename << endl;//填充命令行参数表if (!CommandParse(commandline)){continue;}//处理内建命令if (CheckAndExecBuiltion()){continue;}//执行命令Execute();}return  0;
}

后言

这就是系统文件IO之重定向原理分析。大家自己好好消化！今天就分享到这！ 感谢各位的耐心垂阅！咱们下期见！拜拜~