Linux I/O重定向 dup dup2 系统调用

总结了Linux操作系统中I/O重定向问题
涉及open、close、dup、dup2系统调用

参考资料

1. I/O重定向

1.1 Linux中的文件描述符fd：

文件描述符代表一个文件，他是进程级的。在进程PCB中存在着一张文件描述符表，也可以叫做打开文件描述符表。这张表每个进程都会有且为进程独有，所以它是进程级的。这张表上的每一个表项都由两个部分组成，文件描述符标志以及一个文件指针。其中文件描述符标志也就是我们所使用的文件描述符fd，也可以将其看做是这张表的下标。
内核（kernel）利用文件描述符（fd）来访问文件。文件描述符是非负整数。打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件。文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

在Linux下，当一个用户进程被创建的时候，系统会自动为该进程创建三个数据流：stdin/stdout/stderr

stdin的文件描述符是0
stdout的文件描述符是1
stderr的文件描述符是2

由于linux中的一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开，因此我们只需要将其他文件（如一个新打开的文件）的文件描述符替换为0/1/2（即替换掉stdin/stdout/stderr的文件描述符），就可以完成I/O重定向。使得原本针对标准输入输出流文件进行的操作变为针对其他文件的输入输出操作。

1.2 重定向标准输入

用一个新打开的文件替换文件描述符0（原本是stdin的文件描述符），那么输入将来自该新文件而不是标准输入流

1.2.1 close系统调用

close()函数关闭文件描述符（使之成为未使用的文件描述符，后面其他文件可以使用该fd）并释放相应的内核资源，成功返回0，出错返回-1

int close(int fd);

参数fd是要关闭的文件描述符。需要说明的是，当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。但是对于一个长年累月运行的程序（比如网络服务器），打开的文件描述符一定要记得关闭，否则随着打开的文件越来越多，会占用大量文件描述符和系统资源。

1.2.2 open系统调用

open()函数会打开一个文件，并使用最小的未使用的文件描述符数值作为文件描述符（因此一般是从3开始，然后4,5,6一直下去）成功返回文件描述符，失败返回-1

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

参数path是要打开或者要创建的文件路径
参数flags用于指定文件的打开/创建模式，这个参数可由以下常量（定义于 fcntl.h）通过逻辑或构成：O_RDONLY（只读）、O_WRONLY（只写）、O_RDWR（读写）、O_CREAT （如果文件不存在则创建）、O_APPEND（追加）等
第三个参数mode仅当创建新文件时才使用，用于指定文件的访问权限位，如八进制数字如0777，表示文件所有者、该文件用户组、其他用户都有可读可写可执行权限。

1.2.3 使用close与open系统调用完成重定向标准输入

文本文档log.txt

the num is 123

源文件main.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(){close(0);//关闭文件描述符0int fd = open("./log.txt",O_RDONLY);//只读打开一个文件printf("the fd is %d\n",fd);char str1[10],str2[10],str3[10];int num ;scanf("%s %s %s %d",str1,str2,str3,&num);//从文件描述符0代表的文件输入数据printf("the text content is : %s %s %s %d\n",str1,str2,str3,num);
}

运行结果

xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section3/io test$ gcc main.c
xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section3/io test$ ./a.out
the fd is 0
the text content is : the num is 123

可以看出，新打开的文件的文件描述符fd是0，即成功替换了stdin的文件描述符。scanf从文件描述符0代表的文件输入数据，由于完成重定向标准输入，导致scanf函数从新打开的文件获取输入。

1.2.4 dup系统调用

dup复制文件描述符df到数值最小的未使用的文件描述符。如果复制成功返回最小的尚未被使用的文件描述符，若有错误则返回－1。返回的新文件描述符和参数oldfd指向同一个文件，共享所有的锁定，读写指针，和各项权限或标志位。

int dup(int oldfd);

示例：使用dup完成重定向标准输入

文本文档log.txt

the num is 123

main1.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(){int fd = open("./log.txt",O_RDONLY);//只读打开一个文件printf("the fd is %d\n",fd);close(0);//关闭文件描述符0int newfd = dup(fd);//进行dup系统调用printf("the new fd is %d\n",newfd);char str1[10],str2[10],str3[10];int num ;scanf("%s %s %s %d",str1,str2,str3,&num);//从文件描述符0代表的文件输入数据printf("the text content is : %s %s %s %d\n",str1,str2,str3,num);
}

运行结果

xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section3/io test$ gcc main1.c
xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section3/io test$ ./a.out
the fd is 3
the new fd is 0
the text content is : the num is 123

可以看出在代码开头先通过open系统调用只读打开一个文件，由于此时还没有close掉0号文件描述符，因此给新打开的文件分配文件描述符3。紧接着close掉0号fd使得0成为最小的未使用文件描述符，通过dup系统调用使文件描述符0与3指向同一个文件，并成功通过scanf从0号fd获取输入内容。

1.2.5 dup2系统调用

dup2**系统调用将fd1复制到fd2中，如果fd2已经打开，则先关闭它。newfd和oldfd共同指向一份文件。**成功返回newfd，失败返回-1。如果newfd等于oldfd，则dup2直接返回newfd, 而不关闭它。

int dup2(int oldfd, int newfd);

示例：通过dup2系统调用完成重定向标准输入

文本文档log.txt

the num is 123

main2.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(){int fd = open("./log.txt",O_RDONLY);//只读打开一个文件int newfd = dup2(fd,0);printf("the oldfd is %d , the newfd is %d\n",fd,newfd);char str1[10],str2[10],str3[10];int num ;scanf("%s %s %s %d",str1,str2,str3,&num);//从文件描述符0代表的文件输入数据printf("the text content is : %s %s %s %d\n",str1,str2,str3,num);
}

运行结果

xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section3/io test$ gcc main2.c
xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section3/io test$ ./a.out
the oldfd is 3 , the newfd is 0
the text content is : the num is 123

可见dup2系统调用关闭了文件描述符0，并使得文件描述符0与3指向相同的文件，从而能够通过scanf从文件描述符0代表的文件获取输入内容。

1.3 重定向标准输出

重定向标准输出的原理与重定向标准输入一样，只不过是替换掉stdout的文件描述符1

1.3.1 通过close与open系统调用进行重定向标准输出

main3.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(){close(1);int fd = open("./log1.txt",O_WRONLY|O_CREAT);//创建并只写打开文件printf("%s %s %s %s %d","this","is","a","file",fd);
}

运行结果

xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section3/io test$ gcc main3.c
xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section3/io test$ ./a.out

log1.txt

this is a file 1

可见成功重定向标准输入，通过printf将内容输出到文件描述符1指代的文件。