深入解析Linux文件重定向原理與dup2系統調用

????????在Linux中，重定向（Redirection）是一種強大的功能，允許用戶控制命令的輸入來源（stdin）和輸出目標（stdout和stderr）。通過重定向，你可以將命令的輸出保存到文件、從文件讀取輸入，甚至將錯誤信息與正常輸出分離處理。

目錄

一、重定向的原理

1、輸出重定向原理

2、追加重定向原理

3、輸入重定向原理

4、標準輸出流和標準錯誤流雖然都顯示在屏幕上，但二者有什么區別呢？

1. 標準輸出 (stdout) 和標準錯誤輸出 (stderr)

2.?perror("perror")?

函數原型

參數的作用

二、系統調用 dup2

功能說明

返回值

使用注意事項

應用示例

一、重定向的原理

????????理解了文件描述符的概念及其分配規則后，我們就能掌握重定向的原理。通過以下三個示例，你會發現重定向的本質就是改變文件描述符所指向的struct file*對象。

1、輸出重定向原理

所謂輸出重定向，就是將程序原本要輸出到某個文件的數據，轉而輸出到另一個指定文件中。

????????例如，若需將原本輸出到顯示器（文件描述符1）的數據重定向至log.txt文件，可在打開log.txt前先關閉文件描述符1。這樣后續打開log.txt時，系統會自動為其分配文件描述符1，實現輸出重定向：

#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;
}

運行結果后，我們發現顯示器上并沒有輸出數據，對應數據輸出到了log.txt文件當中：

補充說明：

? ? printf函數默認將數據輸出到標準輸出(stdout)。stdout本質上是一個指向struct FILE結構體的指針（對應下面紅色方框部分），該結構體包含一個文件描述符成員變量。

????????對于stdout而言，這個文件描述符的值固定為1。因此，printf實際上是將數據輸出到文件描述符為1的設備。

????????需要注意的是，C語言的數據并不會立即寫入操作系統內存，而是先存儲在C語言維護的緩沖區中。因此，在使用printf打印數據后，通常需要調用fflush函數來強制刷新緩沖區，確保數據被寫入目標文件。

2、追加重定向原理

????????追加重定向和輸出重定向的唯一區別就是，輸出重定向是覆蓋式輸出數據，而追加重定向是追加式輸出數據。

????????比如，我們希望將原本輸出到"顯示器文件"的數據追加寫入log.txt文件，可以先關閉文件描述符1，再以追加寫入模式打開log.txt。這樣就能實現將數據追加到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;
}

運行結果后，我們發現對應數據便追加式輸出到了log.txt文件當中：

3、輸入重定向原理

輸入重定向就是，將我們本應該從一個文件讀取數據，現在重定向為從另一個文件讀取數據。

????????例如，若要讓原本從"鍵盤文件"讀取數據的scanf函數改為從log.txt文件讀取，可以在打開log.txt前先關閉文件描述符為0的文件（即"鍵盤文件"）。這樣后續打開log.txt時，系統會自動為其分配文件描述符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;
}

代碼解析

  1. 關閉標準輸入：close(0)?關閉了文件描述符0（標準輸入）。

  2. 打開文件：open("log.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666)?嘗試以只讀模式打開文件log.txt，如果文件不存在則創建。由于文件描述符0已被關閉，新打開的文件會占用最小的可用文件描述符，即0。

  3. 讀取輸入：scanf("%s", str)?從文件描述符0（現在是log.txt）讀取數據，直到遇到文件結束符（EOF）。

  4. 輸出內容：printf("%s\n", str)?將讀取到的內容打印到標準輸出。

scanf?按空格分隔讀取：

  • 第一次讀取?"hello"，打印?hello。

  • 第二次讀取?"world"，打印?world。

  • 第三次讀取?"hello"，打印?hello。

  • 第四次讀取?"world"，打印?world。

  • ...

  • 直到遇到?"hello Linux"?時，scanf?會先讀?"hello"，再讀?"Linux"。?

運行結果后，我們發現scanf函數將log.txt文件當中的數據都讀取出來了：?

說明一下：
????????scanf函數是默認從stdin讀取數據的，而stdin指向的FILE結構體中存儲的文件描述符是0，因此scanf實際上就是向文件描述符為0的文件讀取數據。?

4、標準輸出流和標準錯誤流雖然都顯示在屏幕上，但二者有什么區別呢？

請看以下示例代碼，它分別向標準輸出流和標準錯誤流打印了兩行字符串：

#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. 標準輸出 (stdout) 和標準錯誤輸出 (stderr)

  • stdout（標準輸出）：默認輸出到終端（屏幕），通常用于正常程序輸出。

  • stderr（標準錯誤輸出）：默認也輸出到終端（屏幕），但專用于錯誤或警告信息，不受重定向影響。

2.?perror("perror")?

函數原型
void perror(const char *s);

  • 參數?s：用戶提供的字符串，會作為錯誤消息的前綴。

  • 功能：打印當前?errno?對應的系統錯誤描述，格式為?s: 錯誤描述。

  • 作用：向?stderr?輸出錯誤信息。

  • 特點：

    • perror?用于打印最近的系統錯誤信息（通過?errno?獲取）。

    • 如果之前沒有發生錯誤，可能輸出?"perror: Success"。

    • 始終輸出到?stderr。

參數的作用

  • 如果?s?非空，perror?會先輸出?s，后跟冒號和空格，再輸出系統錯誤信息。

  • 如果?s?是空字符串 ("") 或?NULL，則只輸出系統錯誤信息（無前綴）。

直接運行程序，結果很顯然就是在顯示器上輸出四行字符串：

????????從表面上看，標準輸出流和標準錯誤流似乎沒有區別，都會將數據顯示在屏幕上。但當我們嘗試將程序運行結果重定向到log.txt文件時，就會發現不同之處：只有標準輸出的兩行內容被寫入文件，而標準錯誤的兩行信息仍然顯示在屏幕上：

重點：

????????實際上，重定向操作針對的是文件描述符1（標準輸出流），并不會影響文件描述符2（標準錯誤流）！！！！！！

二、系統調用 dup2

????????實現重定向只需復制fd_array數組中的元素。比如，當我們將fd_array[3]的內容復制到fd_array[1]時，由于C語言中stdout對應文件描述符1，這樣輸出就被重定向到了log.txt文件。

????????在Linux操作系統中提供了系統接口dup2，我們日常開發常常使用dup2系統調用來復制文件描述符，完成重定向。dup2的函數原型如下：?

int dup2(int oldfd, int newfd);

功能說明

????????dup2函數將fd_array[oldfd]的內容復制到fd_array[newfd]中。若newfd文件描述符已打開，函數會先將其關閉。

返回值

????????成功時返回newfd，失敗時返回-1。

使用注意事項

  1. 當oldfd為無效文件描述符時，調用失敗且不會關閉newfd對應的文件
  2. 若oldfd有效且newfd等于oldfd，函數直接返回newfd而不執行任何操作

應用示例

????????將log.txt的文件描述符fd和標準輸出描述符1傳入dup2后，fd_array[fd]內容會復制到fd_array[1]。由于標準輸出(stdout)對應文件描述符1，原本輸出到顯示器的內容將被重定向至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;
}

代碼運行后，我們即可發現數據被輸出到了log.txt文件當中：

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