深入解析Linux文件重定向原理与dup2系统调用

        在Linux中，重定向（Redirection）是一种强大的功能，允许用户控制命令的输入来源（stdin）和输出目标（stdout和stderr）。通过重定向，你可以将命令的输出保存到文件、从文件读取输入，甚至将错误信息与正常输出分离处理。

目录

一、重定向的原理

1、输出重定向原理

2、追加重定向原理

3、输入重定向原理

4、标准输出流和标准错误流虽然都显示在屏幕上，但二者有什么区别呢？

1. 标准输出 (stdout) 和标准错误输出 (stderr)

2. perror("perror") 

函数原型

参数的作用

二、系统调用 dup2

功能说明

返回值

使用注意事项

应用示例

一、重定向的原理

        理解了文件描述符的概念及其分配规则后，我们就能掌握重定向的原理。通过以下三个示例，你会发现重定向的本质就是改变文件描述符所指向的struct file*对象。

1、输出重定向原理

所谓输出重定向，就是将程序原本要输出到某个文件的数据，转而输出到另一个指定文件中。

        例如，若需将原本输出到显示器（文件描述符1）的数据重定向至log.txt文件，可在打开log.txt前先关闭文件描述符1。这样后续打开log.txt时，系统会自动为其分配文件描述符1，实现输出重定向：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{close(1);int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 1;}printf("hello world\n");printf("hello world\n");printf("hello world\n");printf("hello world\n");printf("hello world\n");fflush(stdout);close(fd);return 0;
}

运行结果后，我们发现显示器上并没有输出数据，对应数据输出到了log.txt文件当中：

补充说明：

    printf函数默认将数据输出到标准输出(stdout)。stdout本质上是一个指向struct FILE结构体的指针（对应下面红色方框部分），该结构体包含一个文件描述符成员变量。

        对于stdout而言，这个文件描述符的值固定为1。因此，printf实际上是将数据输出到文件描述符为1的设备。

        需要注意的是，C语言的数据并不会立即写入操作系统内存，而是先存储在C语言维护的缓冲区中。因此，在使用printf打印数据后，通常需要调用fflush函数来强制刷新缓冲区，确保数据被写入目标文件。

2、追加重定向原理

        追加重定向和输出重定向的唯一区别就是，输出重定向是覆盖式输出数据，而追加重定向是追加式输出数据。

        比如，我们希望将原本输出到"显示器文件"的数据追加写入log.txt文件，可以先关闭文件描述符1，再以追加写入模式打开log.txt。这样就能实现将数据追加到log.txt的重定向操作：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{close(1);int fd = open("log.txt", O_WRONLY|O_APPEND|O_CREAT, 0666);if(fd < 0){perror("open");return 1;}printf("hello Linux\n");printf("hello Linux\n");printf("hello Linux\n");printf("hello Linux\n");printf("hello Linux\n");fflush(stdout);close(fd);return 0;
}

运行结果后，我们发现对应数据便追加式输出到了log.txt文件当中：

3、输入重定向原理

输入重定向就是，将我们本应该从一个文件读取数据，现在重定向为从另一个文件读取数据。

        例如，若要让原本从"键盘文件"读取数据的scanf函数改为从log.txt文件读取，可以在打开log.txt前先关闭文件描述符为0的文件（即"键盘文件"）。这样后续打开log.txt时，系统会自动为其分配文件描述符0。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{close(0);int fd = open("log.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 1;}char str[40];while (scanf("%s", str) != EOF){printf("%s\n", str);}close(fd);return 0;
}

代码解析

  1. 关闭标准输入：close(0) 关闭了文件描述符0（标准输入）。

  2. 打开文件：open("log.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666) 尝试以只读模式打开文件log.txt，如果文件不存在则创建。由于文件描述符0已被关闭，新打开的文件会占用最小的可用文件描述符，即0。

  3. 读取输入：scanf("%s", str) 从文件描述符0（现在是log.txt）读取数据，直到遇到文件结束符（EOF）。

  4. 输出内容：printf("%s\n", str) 将读取到的内容打印到标准输出。

scanf 按空格分隔读取：

  • 第一次读取 "hello"，打印 hello。

  • 第二次读取 "world"，打印 world。

  • 第三次读取 "hello"，打印 hello。

  • 第四次读取 "world"，打印 world。

  • ...

  • 直到遇到 "hello Linux" 时，scanf 会先读 "hello"，再读 "Linux"。 

运行结果后，我们发现scanf函数将log.txt文件当中的数据都读取出来了： 

说明一下：
        scanf函数是默认从stdin读取数据的，而stdin指向的FILE结构体中存储的文件描述符是0，因此scanf实际上就是向文件描述符为0的文件读取数据。 

4、标准输出流和标准错误流虽然都显示在屏幕上，但二者有什么区别呢？

请看以下示例代码，它分别向标准输出流和标准错误流打印了两行字符串：

#include <stdio.h>
int main()
{printf("hello printf\n"); //stdoutperror("perror"); //stderrfprintf(stdout, "stdout:hello fprintf\n"); //stdoutfprintf(stderr, "stderr:hello fprintf\n"); //stderrreturn 0;
}

1. 标准输出 (stdout) 和标准错误输出 (stderr)

  • stdout（标准输出）：默认输出到终端（屏幕），通常用于正常程序输出。

  • stderr（标准错误输出）：默认也输出到终端（屏幕），但专用于错误或警告信息，不受重定向影响。

2. perror("perror") 

函数原型
void perror(const char *s);

  • 参数 s：用户提供的字符串，会作为错误消息的前缀。

  • 功能：打印当前 errno 对应的系统错误描述，格式为 s: 错误描述。

  • 作用：向 stderr 输出错误信息。

  • 特点：

    • perror 用于打印最近的系统错误信息（通过 errno 获取）。

    • 如果之前没有发生错误，可能输出 "perror: Success"。

    • 始终输出到 stderr。

参数的作用

  • 如果 s 非空，perror 会先输出 s，后跟冒号和空格，再输出系统错误信息。

  • 如果 s 是空字符串 ("") 或 NULL，则只输出系统错误信息（无前缀）。

直接运行程序，结果很显然就是在显示器上输出四行字符串：

        从表面上看，标准输出流和标准错误流似乎没有区别，都会将数据显示在屏幕上。但当我们尝试将程序运行结果重定向到log.txt文件时，就会发现不同之处：只有标准输出的两行内容被写入文件，而标准错误的两行信息仍然显示在屏幕上：

重点：

        实际上，重定向操作针对的是文件描述符1（标准输出流），并不会影响文件描述符2（标准错误流）！！！！！！

二、系统调用 dup2

        实现重定向只需复制fd_array数组中的元素。比如，当我们将fd_array[3]的内容复制到fd_array[1]时，由于C语言中stdout对应文件描述符1，这样输出就被重定向到了log.txt文件。

        在Linux操作系统中提供了系统接口dup2，我们日常开发常常使用dup2系统调用来复制文件描述符，完成重定向。dup2的函数原型如下： 

int dup2(int oldfd, int newfd);

功能说明

        dup2函数将fd_array[oldfd]的内容复制到fd_array[newfd]中。若newfd文件描述符已打开，函数会先将其关闭。

返回值

        成功时返回newfd，失败时返回-1。

使用注意事项

  1. 当oldfd为无效文件描述符时，调用失败且不会关闭newfd对应的文件
  2. 若oldfd有效且newfd等于oldfd，函数直接返回newfd而不执行任何操作

应用示例

        将log.txt的文件描述符fd和标准输出描述符1传入dup2后，fd_array[fd]内容会复制到fd_array[1]。由于标准输出(stdout)对应文件描述符1，原本输出到显示器的内容将被重定向至log.txt文件：

#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_WRONLY | O_CREAT, 0666);if (fd < 0){perror("open");return 1;}close(1);dup2(fd, 1);printf("hello printf\n");fprintf(stdout, "hello fprintf\n");return 0;
}

代码运行后，我们即可发现数据被输出到了log.txt文件当中：

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