重定向與文件緩沖機制

一、重定向的原理與實踐

1. 輸出重定向：讓數據流向新目的地

2. 追加重定向：在文件末尾追加數據

3. 輸入重定向：從指定文件讀取數據

4. 標準輸出流與標準錯誤流的區別

5. 使用?dup2?實現重定向

二、FILE 結構體的奧秘

1. FILE 中的文件描述符

2. FILE 中的緩沖區

3. 緩沖區的提供者與位置

4. 操作系統的緩沖區

5.?緩沖體系的層級架構

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一、重定向的原理與實踐

1. 輸出重定向：讓數據流向新目的地

原理：

????????輸出重定向的本質是修改文件描述符下標對應的 struct file* 內容，將原本應該輸出到一個文件（通常是顯示器）的數據，改為輸出到另一個文件。

代碼示例 ：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main() {// 關閉標準輸出流（文件描述符 1）close(1);// 打開 log.txt 文件，獲取文件描述符int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);if (fd < 0) {perror("open");return 1;}// 使用 printf 輸出數據printf("hello world\n");printf("hello world\n");printf("hello world\n");printf("hello world\n");printf("hello world\n");// 刷新緩沖區，確保數據寫入文件fflush(stdout);// 關閉文件描述符close(fd);return 0;
}

運行結果 ：運行程序后，顯示器上沒有輸出數據，而 log.txt 文件中寫入了多行 "hello world"。

說明：printf 函數默認向標準輸出流（stdout）輸出數據，而 stdout 指向的 FILE 結構體中存儲的文件描述符是 1。通過關閉文件描述符 1 并重新打開文件，我們實現了輸出重定向。

2. 追加重定向：在文件末尾追加數據

原理：

????????追加重定向與輸出重定向類似，區別在于數據是追加到目標文件末尾，而不是覆蓋原有內容。通過O_APPEND標志，每次寫入都會自動定位到文件末尾，保留原有內容。

代碼示例 ：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main() {// 關閉標準輸出流（文件描述符 1）close(1);// 以追加方式打開 log.txt 文件int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_APPEND | O_CREAT, 0666);if (fd < 0) {perror("open");return 1;}// 使用 printf 輸出數據printf("hello Linux\n");printf("hello Linux\n");printf("hello Linux\n");printf("hello Linux\n");printf("hello Linux\n");// 刷新緩沖區，確保數據寫入文件fflush(stdout);// 關閉文件描述符close(fd);return 0;
}

運行結果 ：運行程序后，log.txt 文件中新增了多行 "hello Linux"，且這些內容追加在原有內容之后。

3. 輸入重定向：從指定文件讀取數據

原理：

????????輸入重定向是將原本從標準輸入流（通常是鍵盤）讀取數據的操作，改為從指定文件讀取數據。

代碼示例 ：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main() {// 關閉標準輸入流（文件描述符 0）close(0);// 打開 log.txt 文件，獲取文件描述符int fd = open("log.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);if (fd < 0) {perror("open");return 1;}// 定義字符數組，用于存儲讀取的數據char str[40];// 使用 scanf 從文件讀取數據while (scanf("%s", str) != EOF) {printf("%s\n", str);}// 關閉文件描述符close(fd);return 0;
}

運行結果 ：運行程序后，scanf 函數從 log.txt 文件中讀取數據，并通過 printf 輸出到顯示器。

說明：scanf 函數默認從標準輸入流（stdin）讀取數據，而 stdin 指向的 FILE 結構體中存儲的文件描述符是 0。通過關閉文件描述符 0 并重新打開文件，我們實現了輸入重定向。

4. 標準輸出流與標準錯誤流的區別

原理：

????????標準輸出流（stdout，文件描述符 1）和標準錯誤流（stderr，文件描述符 2）都默認輸出到顯示器，但它們在重定向時的行為不同。重定向操作只影響標準輸出流，而標準錯誤流不受影響。

操作	stdout表現	stderr表現
直接運行	屏幕輸出	屏幕輸出
重定向到文件	寫入文件	仍顯示屏幕

代碼示例 ：

#include <stdio.h>int main() {// 向標準輸出流輸出數據printf("hello printf\n");// 向標準錯誤流輸出數據perror("perror");// 使用 fprintf 向標準輸出流和標準錯誤流輸出數據fprintf(stdout, "stdout:hello fprintf\n");fprintf(stderr, "stderr:hello fprintf\n");return 0;
}

運行結果 ：直接運行程序時，顯示器上輸出四行字符串。若將程序運行結果重定向到文件 log.txt，則 log.txt 中只有標準輸出流的兩行字符串，而標準錯誤流的兩行數據仍輸出到顯示器。

5. 使用?`dup2`?實現重定向

原理：

dup2 函數用于將一個文件描述符的內容拷貝到另一個文件描述符，從而實現重定向。

函數原型 ：

int dup2(int oldfd, int newfd);

代碼示例 ：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int main() {// 打開 log.txt 文件，獲取文件描述符int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666);if (fd < 0) {perror("open");return 1;}// 關閉標準輸出流（文件描述符 1）close(1);// 使用 dup2 將 fd 拷貝到文件描述符 1// 將log.txt克隆到標準輸出dup2(fd, 1);// 使用 printf 輸出數據// 自動寫入log.txtprintf("hello printf\n");fprintf(stdout, "hello fprintf\n");// 關閉文件描述符close(fd);return 0;
}

運行結果 ：運行程序后，log.txt 文件中寫入了 "hello printf" 和 "hello fprintf"。

二、FILE 結構體的奧秘

1. FILE 中的文件描述符

原理：

????????C 語言的庫函數是對系統調用接口的封裝，文件操作本質上是通過文件描述符進行的。FILE 結構體內部封裝了文件描述符。

在 /usr/include/stdio.h 頭文件中，FILE 是 struct _IO_FILE 的別名。

typedef struct _IO_FILE FILE;

在 /usr/include/libio.h 頭文件中，struct _IO_FILE 定義了 _fileno 成員，用于存儲文件描述符。

struct _IO_FILE {int _flags;       /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags//緩沖區相關/* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. *//* Note:  Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */char* _IO_read_ptr;   /* Current read pointer */char* _IO_read_end;   /* End of get area. */char* _IO_read_base;  /* Start of putback+get area. */char* _IO_write_base; /* Start of put area. */char* _IO_write_ptr;  /* Current put pointer. */char* _IO_write_end;  /* End of put area. */char* _IO_buf_base;   /* Start of reserve area. */char* _IO_buf_end;    /* End of reserve area. *//* The following fields are used to support backing up and undo. */char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */char *_IO_backup_base;  /* Pointer to first valid character of backup area */char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */struct _IO_marker *_markers;struct _IO_FILE *_chain;int _fileno; //封裝的文件描述符
#if 0int _blksize;
#elseint _flags2;
#endif_IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small.  */#define __HAVE_COLUMN /* temporary *//* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */unsigned short _cur_column;signed char _vtable_offset;char _shortbuf[1];/*  char* _save_gptr;  char* _save_egptr; */_IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};

示例代碼 ：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("test.txt", "w");if (fp == NULL) {perror("fopen");return 1;}// 獲取 FILE 結構體中的文件描述符int fd = fileno(fp);// 使用文件描述符進行操作// ...// 關閉文件fclose(fp);return 0;
}

說明：fopen 函數在上層為用戶申請 FILE 結構體變量，并返回該結構體的地址。在底層通過系統接口 open 打開文件，得到文件描述符，并將其存儲在 FILE 結構體的 _fileno 成員中。

2. FILE 中的緩沖區

原理：

????????C 語言中的文件操作函數（如 printf、fputs 等）使用緩沖區來提高效率。緩沖區的類型有無緩沖、行緩沖和全緩沖。

緩沖類型對比表：

緩沖類型	刷新條件	典型應用場景
無緩沖	立即寫入	標準錯誤
行緩沖	遇換行符或緩沖區滿	終端輸出
全緩沖	緩沖區滿或強制刷新	文件操作

代碼示例 ：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {// 使用 printf 輸出數據printf("hello printf\n");// 使用 fputs 輸出數據fputs("hello fputs\n", stdout);// 使用 write 系統接口輸出數據write(1, "hello write\n", 12);// 創建子進程fork();return 0;
}

運行結果 ：直接運行程序時，數據輸出到顯示器。若將程序運行結果重定向到文件 log.txt，則 log.txt 中 printf 和 fputs 的數據出現兩次，而 write 的數據只出現一次。

說明：printf 和 fputs 使用緩沖區，當程序運行結果重定向到文件時，緩沖區的數據會被復制到父進程和子進程中，導致數據重復。而 write 是系統接口，沒有緩沖區，數據直接輸出到目標文件。

3. 緩沖區的提供者與位置

原理：

????????緩沖區由 C 語言提供，在 FILE 結構體中維護。FILE 結構體中包含多個成員，用于記錄緩沖區的相關信息。

在 /usr/include/libio.h 頭文件中，struct _IO_FILE 定義了多個與緩沖區相關的成員，如 _IO_read_ptr、_IO_read_end 等。

//緩沖區相關
/* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */
/* Note:  Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */
char* _IO_read_ptr;   /* Current read pointer */
char* _IO_read_end;   /* End of get area. */
char* _IO_read_base;  /* Start of putback+get area. */
char* _IO_write_base; /* Start of put area. */
char* _IO_write_ptr;  /* Current put pointer. */
char* _IO_write_end;  /* End of put area. */
char* _IO_buf_base;   /* Start of reserve area. */
char* _IO_buf_end;    /* End of reserve area. */
/* The following fields are used to support backing up and undo. */
char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
char *_IO_backup_base;  /* Pointer to first valid character of backup area */
char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */

示例代碼 ：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("test.txt", "w");if (fp == NULL) {perror("fopen");return 1;}// 使用 fputs 寫入數據fputs("hello fputs", fp);// 刷新緩沖區fflush(fp);// 關閉文件fclose(fp);return 0;
}

說明：fputs 函數將數據寫入 FILE 結構體中的緩沖區，fflush 函數用于刷新緩沖區，將數據寫入文件。

4. 操作系統的緩沖區

原理：

????????操作系統也有自己的緩沖區。當用戶緩沖區的數據被刷新到操作系統緩沖區后，操作系統會根據自己的刷新機制，將數據寫入磁盤或顯示器。

示例代碼 ：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {// 使用 printf 輸出數據printf("hello printf\n");// 刷新用戶緩沖區fflush(stdout);// 暫停 2 秒sleep(2);return 0;
}

說明：printf 輸出的數據先存儲在用戶緩沖區，fflush 刷新用戶緩沖區后，數據進入操作系統緩沖區。操作系統會根據自己的刷新機制，將數據寫入顯示器。

5.?緩沖體系的層級架構

數據流動路徑：

用戶程序 → C庫緩沖區（用戶空間）→ 內核緩沖區（內核空間）→ 物理存儲設備

關鍵特點：

用戶緩沖區由C庫維護

內核緩沖區由OS管理

fflush只刷新用戶→內核階段

最終落盤由內核決定