驚！printf 不往屏幕輸？都是 fd 在搞鬼！爆肝拆解 Linux 文件描述符 + 重定向底層，學會直接在終端橫著走

文章目錄

一、文件
- 1、基礎知識
- 2、C 文件接口
- - （1）代碼示例
  - （2）當前路徑
  - （3）文件權限
  - （4）w
  - （5）a
  - （6）三個輸入輸出流
- 3、分開顯示 stdout 和 stderr
- 4、基礎知識
- - （1）open
  - （2）close
  - （3）write
  - （4）標志位傳遞方式
二、訪問文件的本質
- 1、struct file
- 2、FILE
- 3、close(1)
- 4、fd
- 5、read
- 6、引用計數與關閉文件
三、重定向
- 1、文件描述符的分配規則
- - （1）原版代碼
  - （2）close(0)
  - （3）close(1)
  - （4）close(2)
  - （5）總結
- 2、重定向的原理
- 3、dup2
- 4、輸入重定向
- 5、追加重定向
- 6、輸入重定向
- 7、printf 與 fprintf
四、總結

💻作者簡介：曾與你一樣迷茫，現以經驗助你入門 Linux。
💡個人主頁：@笑口常開xpr 的個人主頁
📚系列專欄：Linux 探索之旅：從命令行到系統內核
?代碼趣語：當 0、1、2 先占滿文件描述符的 “插槽”，open 總會尋著最小的空缺安家 - - - 每個 fd 的數字，都是進程與文件牽手的 “門牌號碼”，藏著讀寫消息的去向。
💪代碼千行，始于堅持，每日敲碼，進階編程之路。
📦gitee 鏈接：gitee

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?????????Linux 初學者常困惑：會用 > 重定向卻不懂原理，知道 printf 輸出卻不明其與 “文件” 的關聯，對 0、1、2 文件描述符更是茫然。這些疑問的核心，正是 “進程與文件的交互邏輯” - - - 本文以實操 + 原理為核心，從 “文件 = 內容 + 屬性” 切入，講清 C 庫 / 系統調用用法，拆解文件描述符規則與重定向本質，搭配代碼截圖幫你打通 “命令 - 代碼 - 內核” 鏈路。

一、文件

1、基礎知識

文件 = 內容 + 屬性
文件分為打開的文件和沒有打開的文件。進程打開的文件，沒打開的文件存儲在磁盤上，沒有打開的文件非常多。本質上是研究進程和文件的關系，要快速的對文件進行增刪查改。
文件想要被打開首先應該被加載到內存。
進程：打開文件 = 1:n，一個進程可以打開多個文件。操作系統內部一定存在大量的被打開的文件。操作系統要管理被打開的文件，先描述，再組織。
在 Linux 內核中，一個被打開的文件都必須有自己的文件打開對象，包含文件的很多屬性。

2、C 文件接口

C 語言文件操作

（1）代碼示例

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{printf("pid:%d\n",getpid());//打開文件的路徑和文件名,默認在當前路徑下創建一個文件FILE* pf = fopen("test.txt","w");if(pf == NULL){perror("fopen fail");return 1;}fclose(pf);sleep(100);return 0;
}

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（2）當前路徑

?????????當前路徑指的是進程的當前路徑 cwd，如果更改了當前進程的 cwd，就可以把文件新建到其他目錄。

?????????可以使用 ll /proc/進程的 PID 來查看進程的當前路徑。
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chdir
更改進程的工作目錄。
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?????????在上面的代碼中添加 chdir("/home/xpr/linux"); 可以更改進程的路徑。

（3）文件權限

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（4）w

?????????將字符寫入文件。如果沒有文件則會創建文件，如果文件有內容則會清空。

fwrite
將字符寫入到文件中。
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#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{printf("pid:%d\n",getpid());//打開文件的路徑和文件名,默認在當前路徑下創建一個文件FILE* pf = fopen("test.txt","w");if(pf == NULL){perror("fopen fail");return 1;}const char* str = "hello linux";fwrite(str,strlen(str),1,pf);fclose(pf);return 0;
}

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?????????這里 strlen 不需要加 1 原因是因為如果加 1 會出現亂碼，如下圖所示。字符串以 \0 結尾是 C 語言的規定，和文件沒有關系。

strlen + 1
strlen + 1 會在文件中出現 ^@，這個字符就是 \0。
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echo 及輸入重定向
?????????類似的，echo 的輸入重定向和 w 類似，如果沒有文件則會創建，文件有內容則會清空。
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（5）a

?????????在文件結尾追加字符串，如果沒有文件則會創建文件。
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#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{printf("pid:%d\n",getpid());//打開文件的路徑和文件名,默認在當前路徑下創建一個文件FILE* pf = fopen("test.txt","a");if(pf == NULL){perror("fopen fail");return 1;}const char* str = "hello linux";fwrite(str,strlen(str)+1,1,pf);fclose(pf);return 0;
}

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echo 及輸出重定向
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（6）三個輸入輸出流

?????????所有的語言在啟動時默認都會打開對應的設備文件，原因是因為電腦開機時就會打開顯示器和鍵盤，編寫代碼時使用鍵盤輸入，用顯示器顯示。C 語言的 3 個輸入輸出流。C 程序默認在啟動時會打開三個標準輸入輸出流（文件）。
所有的語言對于文件的操作都包括文件描述符 fd

stdin：鍵盤
stdout：顯示器文件
stderr：顯示器文件
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3、分開顯示 stdout 和 stderr

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{fprintf(stdout,"hello normal message\n");fprintf(stdout,"hello normal message\n");fprintf(stdout,"hello normal message\n");fprintf(stdout,"hello normal message\n");fprintf(stderr,"hello error message\n");fprintf(stderr,"hello error message\n");fprintf(stderr,"hello error message\n");fprintf(stderr,"hello error message\n");return 0;
}

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?????????重定向以后，向 1 里面寫入的內容都會寫入 normal.txt 文件中。只對 1 重定向，沒有對 2 重定向。

?????????1 可以省略不寫。stdout 和 stderr 可以重定向到 1 個文件中。
?????????./mytest >err.txt 2>&1 先表示把 1 號文件描述符的內容寫入 err.txt 中，然后 2>&1 表示把 2 號文件描述符中的內容寫入 1 號文件描述符中。

fprintf
?????????將字符寫入文件或使用流。
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#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{printf("pid:%d\n",getpid());//打開文件的路徑和文件名,默認在當前路徑下創建一個文件FILE* pf = fopen("test.txt","a");if(pf == NULL){perror("fopen fail");return 1;}const char* str = "hello linux";fprintf(stdout,"%s,%d\n",str,1234);fclose(pf);return 0;
}

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4、基礎知識

?????????文件其實是在磁盤上的，磁盤是外部設備，訪問文件其實是訪問硬件。操作系統是硬件的管理者。幾乎所有的庫只要是訪問硬件設備，必定要封裝系統調用。

（1）open

?????????打開或者創建文件或者設備，可以指定文件的權限，即文件是否存在。
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flags

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{    umask(0); // 文件掩碼int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);if(fd<0){printf("open fail\n");return 1;}return 0;
}

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（2）close

關閉文件

文件描述符
file descriptor：文件描述符，是 int 類型。
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#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{    umask(0); // 文件掩碼int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);if(fd<0){printf("open fail\n");return 1;}close(fd);return 0;
}

（3）write

?????????向文件中寫入文件描述符，返回值是實際寫入的字節數。默認從文件的開始處寫，不會對文件清空，讓新增加的字符替換掉舊的字符。
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#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{    umask(0); // 文件掩碼int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);if(fd<0){printf("open fail\n");return 1;}const char* str = "hello world";write(fd,str,strlen(str));close(fd);return 0;
}

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（4）標志位傳遞方式

1 個整數可以傳遞 1 個標志位。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#define ONE (1 << 0)  //1
#define TWO (1 << 1)  //2
#define THREE (1 << 2)//4
#define FOUR (1 << 3) //8
void show(int flags)
{if(flags&ONE){printf("hello function1\n");}if(flags&TWO){printf("hello function2\n");}if(flags&THREE){printf("hello function3\n");}if(flags&FOUR){printf("hello function4\n");}
}
int main()
{    show(ONE);printf("-----------\n");show(ONE|TWO);printf("-----------\n");show(ONE|TWO|THREE);printf("-----------\n");return 0;
}

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二、訪問文件的本質

1、struct file

?????????操作系統內描述一個被打開文件的信息。

直接或者間接包含以下屬性：

被打開的文件在哪個位置
基本屬性、權限、大小、讀寫位置、誰打開的。
文件的內核緩沖區信息
struct file *next 指針。

?????????對文件的操作改為對雙向鏈表的增刪查改。

?????????一個進程可以打開多個文件，要建立進程 PCB 和打開文件的關系。
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2、FILE

?????????C 語言中的 FILE 是 C 庫中自己封裝的結構體，里面包含文件描述符。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{   printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);return 0;
}

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3、close(1)

printf
?????????可以使用 close(1); 關閉顯示器使 printf 無法顯示在顯示屏上。說明 printf 的底層使用了 1 號文件描述符。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{  close(1);printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);return 0;
}

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fprintf

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{  close(1);int ret = printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);fprintf(stderr,"printf ret:%d\n",ret);return 0;
}

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?????????如果關閉了 1 號文件描述符，使用 2 號文件描述符也可以在顯示器上輸出。

4、fd

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{    umask(0); // 文件掩碼int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);int fd2 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);int fd3 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);int fd4 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);printf("fd1:%d\n",fd1);printf("fd2:%d\n",fd2);printf("fd3:%d\n",fd3);printf("fd4:%d\n",fd4);close(fd1);close(fd2);close(fd3);close(fd4);return 0;
}

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?????????返回的整數值都是數組的下標且都是整數，返回的整數值都是從 3 開始的。0 是 stdin（鍵盤文件），1 是 stdout（顯示器文件），2 是 stderr（顯示器文件）。

驗證

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{   const char* str = "hello linux";write(1,str,strlen(str));write(2,str,strlen(str));return 0;
}

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5、read

?????????從文件描述符中讀取。
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#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{   char buf[100];ssize_t count = read(0,buf,sizeof(buf));if(count < 0){return 1;}buf[count] = '\0';printf("%s\n",buf);return 0;
}

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6、引用計數與關閉文件

引用計數
?????????關閉文件時，使用 close 時，對 1 號描述符的引用計數減 1，然后將 1 號指針位置置空即可，然后判斷引用計數是否為 0，如果為 0，則說明沒有文件被使用，系統會回收 struct 對象。如果不為 0，則說明還有文件被使用。

三、重定向

1、文件描述符的分配規則

（1）原版代碼

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0666);if(fd < 0){perror("open fail");return 1;}printf("fd:%d\n",fd);const char* str = "hello world\n";int cnt = 5;while(cnt){write(fd,str,strlen(str));cnt--;}close(fd);return 0;
}

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?????????此時文件描述符為 3，log.txt 所對應的文件權限為 664。

（2）close(0)

在代碼最前面添加 close(0)，輸出的文件描述符為 0。
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（3）close(1)

在代碼最前面添加 close(1)
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?????????因為 printf 的底層使用了 stdout，stdout 的文件描述符為 1，這里將 1 關閉，無法在顯示器上輸出。

（4）close(2)

在代碼最前面添加 close(2)
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關閉 2 號文件描述符后，輸出的文件描述符為 2。

（5）總結

?????????關閉幾號文件描述符，文件描述符就輸出幾號，說明文件描述符對應的分配規則是從 0 下標開始，尋找最小的沒有使用的數組位置，它的下標就是新文件的文件描述符。

2、重定向的原理

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  close(1);int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0666);if(fd < 0){perror("open fail");return 1;}const char* str = "hello world\n";int cnt = 5;while(cnt){write(1,str,strlen(str));cnt--;}close(fd);return 0;
}

在這里插入圖片描述
?????????關閉 1 號文件描述符后，結果沒有在顯示器中顯示，卻寫入了文件中。

?????????關閉 1 號文件描述符后，此時打開文件，文件原來應該指向 3 號文件描述符，現在被改成了 1 號文件描述符，此時發生了輸入重定向。
?????????重定向的本質是對數組下標的內容進行了修改。如果想要發生重定向需要將原來文件描述符中的內容關閉或者覆蓋掉即可。

3、dup2

?????????拷貝文件描述符的指針內容，將新的文件描述符的內容拷貝給舊的文件描述符，然后關閉新的文件描述符。
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4、輸入重定向

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0666);if(fd < 0){perror("open fail");return 1;}//重定向dup2(fd,1);close(fd);const char* str = "hello world\n";int cnt = 5;while(cnt){write(1,str,strlen(str));cnt--;}close(fd);return 0;
}

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?????????原來 1 號文件描述符可以將內容輸出到顯示器中，重定向以后顯示器無法輸出內容，輸出的是文件的內容。

5、追加重定向

將 write 中的 O_TRUNC 改成 O_APPEND 即可實現追加重定向。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND,0666);if(fd < 0){perror("open fail");return 1;}//重定向dup2(fd,1);close(fd);const char* str = "hello world\n";int cnt = 5;while(cnt){write(1,str,strlen(str));cnt--;}close(fd);return 0;
}

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6、輸入重定向

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{int fd = open(filename,O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");return 1;}dup2(fd,0);//從標準輸入讀取改為從文件中讀取char buf[1024];ssize_t s = read(0,buf,sizeof(buf)-1);if(s>0){buf[s]='\0';printf("echo:%s\n",buf);}return 0;
}

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cat 的輸入重定向
從文件中讀取改為從鍵盤中讀取。
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7、printf 與 fprintf

?????????printf 和 fprintf 用的都是 stdin，可以修改文件描述符，改變輸出的位置。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND,0666);if(fd < 0){perror("open fail");return 1;}//重定向dup2(fd,1);printf("fd:%d\n",fd);printf("hello printf\n");fprintf(stdout,"hello fprintf\n");close(fd);return 0;
}

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如何理解 “linux 中一切皆文件”
?????????所有操作計算機的動作都是以進程的形式操作的，所有訪問文件的操作都是用進程的方式訪問文件的。

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四、總結

?????????本文已幫你掌握 Linux 文件操作核心：文件定義、文件描述符、重定向本質，及 C 庫與系統調用的關系，也理解了 “一切皆文件” 的設計。這些知識是后續進程通信、網絡編程的基礎。建議動手修改代碼加深理解，關注專欄 Linux 探索之旅：從命令行到系統內核，后續將解鎖更多進階內容，幫你搭建系統編程知識體系。