Linux C：文件描述符、IO重定向、恢复标准输入输出

一、文件描述符

二、IO重定向

三、重定向回终端、伪终端

四、恢复标准输入输出

一、文件描述符

在Linux中，文件描述符是一个非负整数的数据类型。是FILE结构体中的一个成员属性。每打开或者新建一个文件时，内核都会返回最小的且未被使用的非负整数，即文件描述符。例如，文件描述符 0，1，2，4，5...已经被该进程使用了，那么再打开一个文件返回的文件描述符就是3，再打开一个新文件就是6。如果文件描述符被关闭，那么文件描述符在下一次可能会重新被打开。

FILE结构体大致如下

-----------FILE Structure---------
char fbuf[SIZE];
int counter,index..........   一些其它属性
int fd;  //文件描述符

Linux 为每个进程创建了文件描述符表（fd, 文件指针），其中文件指针，指向了系统级的打开文件表，通过该指针可以获取到文件偏移量和i-node指针信息，再通过文件偏移量和i-node指针，可以定位到文件系统中的i-node表，从而找到物理硬盘上的文件。换言之，在操作系统之上，通过进程号和文件描述符就可以定位到具体的文件。这个关系是一对多的，因为一个对象可以被多个指针指向，而一个指针只能指向一个对象。这就意味着，多个进程级的文件描述符可能会指向同一个系统级打开文件表，多个打开文件表项可能指向同一个i-node表。

二、IO重定向

在sh进程中有3个用于终端的IO文件流： stdin(标准输入)，stdout(标准输出)，stderr(标准错误)。

这3个流实际上指向文件结构体的指针， FILE * stdin ， stdout ,stderr;

它们指向的FILE的区别在于它们的文件描述符分别是STDIN_FILENO, STDOUT_FILENO,STDERR_FILENO分别对应的值是0,1,2。标准输入默认来源于键盘，标准输出、标准错误的目标默认是屏幕。改变它们的来源或者目标就叫IO重定向。对应linux的操作符是 "<","1>","2>"。

所以通常程序的缺省情况，fd通常就已经打开了3个，如果想改变输入流或者输出流到文件，那么就要关闭对应的文件描述符。当重新open文件时，系统就会返回最小的且未被使用的文件描述符。

例如在filename.txt写入8878 . ,当关闭文件描述符0时，在打开文件，调用scanf函数就不再从键盘中输入，而把filename.txt中的内容当作输入。

#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(){close(0);int fd = open("filename.txt",O_RDONLY);int item;scanf("%d",&item);printf("format= %d",item);
}

关于scanf。当FILE结构体中fbuf为空时，才会向内核中发出read系统调用，通过文件描述符为0 和进程号找到对应的文件，把文件数据读到fbuf中。所以哪个文件获取到了文件描述符0，那么标准输入的来源就是这个文件。同理，哪个文件获取到了文件描述符1 (2)，那么标准输出(错误)的目标就是这个文件。

三、重定向回终端、伪终端

终端和伪终端通常包含屏幕和键盘。屏幕输出前，需要通常保存在/dev/ttyX 文件下，键盘输入后，输入的内容通常保存在 /dev/pts/# 下。

确定具体文件描述符打开的对应文件

例如在gdb调试代码时

通过 ps -ef |grep a.out 找到进程号

查询 /proc/[进程号]/fd 中的内容（需要root账号才可以登录fd目录）

查看到我的伪终端是：

/dev/pts/2

或者用 tty 命令查看伪终端

yu'shhi标准输入重定向回键盘：

 close(0);int fd = open("/dev/pts/2",O_RDONLY);

四、恢复标准输入输出

在/dev目录下有/dev/stdin 文件，stdout文件，stderr文件

注意：标准输入文件/dev/stdin是个链接文件！，其他也一样，它们存放的是文件描述符的地址，链接文件类似指针，而标准IO文件类似于双重指针。文件描述符在Linux系统中也是一个链接文件。当close([文件描述符时])，其实删除的时文件描述符对应的链接文件。而/dev/stdin固定链接每个 /proc/self/fd/0，当0被删除了之后，/dev/stdin也就链接成了空文件。

也就是说下述代码得到结果并没有重新获得键盘输入：

#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(){close(0);                                /**文件 /proc/[pid]/fd/0 消失*****/ int fd = open("filename.txt",O_RDONLY);  /**文件 /proc/[pid]/fd/0 链接上了filename.txt */       int item;scanf("%d",&item);                       /*stdin 找到/proc/[pid]/fd/0 中读数据*/close(0);                                /*文件 /proc/[pid]/fd/0消失,/dev/stdin为空链接*///这样做的意图是 /dev/stdin -> /proc/self/0 -> /dev/stdin 吗？？？ 显然目的不是这样的int fd = open("/dev/stdin",O_RDONLY);    /*打开空链接文件，并非是终端文件*/scanf("%d",&item); printf("format= %d",item);
}

所以如果要保证代码的通用性，变更stdin链接之前需要把终端文件用新的文件描述符保存起来。

(1) int fd = dup(oldfd); ， int fd=　dup2(oldfd,newfd);

当调用dup函数时，内核在进程中创建一个新的文件描述符，此描述符是当前可用文件描述符的最小数值，这个文件描述符指向oldfd所拥有的文件表项。
　　dup2和dup的区别就是可以用newfd参数指定新描述符的数值。
　　APUE用另外一个种方法说明了这个问题：
　　实际上，调用dup(oldfd)等效于，fcntl(oldfd, F_DUPFD, 0)
　　而调用dup2(oldfd, newfd)等效于，close(oldfd)；fcntl(oldfd, F_DUPFD, newfd)；

查看如下代码：

#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(){int fd2=dup(0) ;    //复制文件描述符0对应的表项给fd2 = 3,此时fd2 ,和0 都指向终端close(0);           //关闭文件描述符0int fd = open("filename.txt",O_RDONLY); //filename.txt获取文件描述符0 int item;scanf("%d",&item);                //从标准输入0中读数据printf("format1= %d\n",item);    //输出filename.txt中读出来的内容dup2(fd2,0);                      //复制文件描述符fd2表项给0,此时0重新指向终端,// fopen("/dev/stdin", "r+");      scanf("%d",&item);                //同时意味着/dev/stdin 也间接指向了终端printf("format2= %d\n",item);
}