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文件描述符与重定向

news 来源：原创 2025/9/11 22:46:03

1. open系统调用

在 Linux 中, open() 系统调用用于打开一个文件或设备，并返回一个文件描述符，通过该描述符可以进行文件读写操作。open() 可以用于创建新文件或打开已存在的文件，具体行为取决于传递给它的参数。

需要包含的头文件：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

函数原型：

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);int creat(const char *pathname, mode_t mode);

参数解释：

pathname: 要打开或创建的⽬标⽂件
flags: 打开⽂件时，可以传⼊多个参数选项，⽤下⾯的⼀个或者多个常量进⾏“或”运算，构成
flags。
参数:
O_RDONLY: 只读打开
O_WRONLY: 只写打开
O_RDWR : 读，写打开
这三个常量，必须指定⼀个且只能指定⼀个O_CREAT : 若⽂件不存在，则创建它。需要使⽤mode选项，来指明新⽂件的访问
权限
O_APPEND: 追加写
返回值：
成功：新打开的⽂件描述符
失败：-1

mode 参数用于设置文件权限，通常只有在使用 O_CREAT 标志时才会使用。它指定文件的新权限，控制谁可以读取、写入和执行该文件。mode 是一个表示文件权限的整数，使用常量来组合不同的权限位。常见的 mode 权限：S_IRUSR：用户可读权限。
S_IWUSR：用户可写权限。
S_IXUSR：用户可执行权限。
S_IRGRP：组用户可读权限。
S_IWGRP：组用户可写权限。
S_IXGRP：组用户可执行权限。
S_IROTH：其他用户可读权限。
S_IWOTH：其他用户可写权限。
S_IXOTH：其他用户可执行权限。
示例：
open("file.txt", O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);
这会创建一个新文件，并设置权限为文件所有者可读和可写。
也可以用二进制表示
open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 00644);
文件所有者权限为读写。用户组和其他用户权限为只读。

myfile.c：

打开文件：
使用 open() 函数以只读 (O_RDONLY) 和创建文件 (O_CREAT) 的模式打开 log.txt 文件。如果文件不存在，O_CREAT 会创建文件。若文件打开失败，程序会输出错误并返回 1。
读取文件：
通过 read() 函数从文件描述符 fd 中读取数据到 buff 中。read() 函数将最多读取 strlen(msg) 字符（这是一个错误的参数，应该是缓冲区大小）。
输出内容：
如果读取成功（s > 0），则通过 printf() 输出读取到的内容。否则，退出循环。
关闭文件：
使用 close() 关闭文件描述符。

2. 文件描述符

2.1 文件描述符

文件描述符（File Descriptor，简称 FD）是操作系统为每个进程提供的一种标识符，用于访问打开的文件、设备或其他输入输出资源。文件描述符是一个非负整数，它在进程的文件表中对应着一个指向内核中文件信息的指针。

上面myfile.c中read之所以可以通过int类型的fd读取到long.txt文件的内容就是因为每个文件都有一个文件描述符。

文件描述符的工作原理

每个进程在打开文件时，操作系统会为该进程分配一个文件描述符。文件描述符不仅仅用于普通文件，还可以用于设备、管道和套接字等其他输入输出资源。操作系统通过文件描述符来管理文件的读写操作。

Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的⽂件描述符，分别是：

标准输入（STDIN）：文件描述符 0，用于从用户或其他程序读取数据。
标准输出（STDOUT）：文件描述符 1，用于向用户或其他程序输出数据。
标准错误输出（STDERR）：文件描述符 2，用于输出错误信息。

除了标准输入、输出和错误输出外，应用程序可以打开更多文件，操作系统会为每个打开的文件分配一个文件描述符。

打开文件与文件描述符

当你调用 open() 函数打开一个文件时，操作系统会返回一个文件描述符，这个描述符可以用于后续的文件操作（如读写）。

int fd = open("example.txt", O_RDONLY);

这行代码尝试以只读模式打开 example.txt 文件，并返回一个文件描述符 fd。之后，可以使用该文件描述符来执行文件读写操作。

文件描述符的使用

在文件描述符返回后，可以通过以下系统调用来进行操作：

read(fd, buffer, size)：从文件描述符 fd 中读取最多 size 字节的数据到 buffer 中。
write(fd, buffer, size)：向文件描述符 fd 写入 size 字节的数据。
close(fd)：关闭文件描述符，释放操作系统资源。

文件描述符表

操作系统维护一个文件描述符表，每个进程有一个独立的文件描述符表。文件描述符表的每个条目指向一个内核中的文件表，该表保存了文件的详细信息（如文件位置指针、权限等）。通过文件描述符，操作系统可以访问这些信息。

示例：打开、读取、写入和关闭文件

程序会从标准输入读取 Hello, World! 字符串并存储到 buf 中。
标准输出：write(1, ...) 会将 Hello, World! 输出到标准输出（屏幕）。
标准错误输出：write(2, ...) 会将相同的 Hello, World! 输出到标准错误（通常也是屏幕，但会有不同的标记或颜色，取决于终端设置）。

程序会从标准输入读取 hello henu 字符串并存储到 buf 中。

write(1, ...) 会将 hello henu 输出到标准输出（屏幕）。

write(2, ...) 会将相同的 hello henu 输出到标准错误（通常也是屏幕，但会有不同的标记或颜色，取决于终端设置）。

2.2 文件描述符分配规则

标准文件描述符
在 Linux 和 Unix 系统中，每个进程默认会打开三个文件描述符，分别是：

这些文件描述符默认已经为进程打开，并且对应终端设备或其他输入输出流。

标准输入（STDIN）: 文件描述符 0。
标准输出（STDOUT）: 文件描述符 1。
标准错误输出（STDERR）: 文件描述符 2。

从 3 开始的文件描述符

当一个文件第一次通过 open() 打开时，它会获得文件描述符 3。
第二个文件会分配文件描述符 4，以此类推。
除了标准输入、输出和错误输出外，进程还可以打开更多文件或设备。这些文件描述符的分配从文件描述符 3 开始，并且会根据文件打开的顺序逐个递增。

文件描述符的分配是按顺序进行的，并且不会跳过数字。

    1 #include <stdio.h>2 #include <sys/types.h>3 #include <sys/stat.h>4 #include <fcntl.h>5 6 int main()7 {8   int fd = open("myfile", O_RDONLY);9   if(fd < 0)10   {11     perror("open");12     return 1;13   }14   printf("%d\n", fd);                                                                                                                                                                                                          15 16   close(fd);17   return 0;18 }

关闭0或者2：

发现是结果是： fd: 0 或者 fd 2 ，可见，文件描述符的分配规则：在记录文件描述符的files_struct数组当中，找到当前没有被使用的最小的⼀个下标，作为新的文件描述符。

3. 重定向

如果将标准输出（1）关闭，会发生什么呢？

    1 #include <stdio.h>2 #include <sys/types.h>3 #include <sys/stat.h>4 #include <fcntl.h>5 #include <stdlib.h>6 7 int main()8 {9   close(1);10   int fd = open("log.txt", O_RDWR | O_CREAT, 00644); 11   if(fd < 0)                                                                                                                                                                                                                   12   {13     perror("open");14     return 1;15   }16   printf("d: %d", fd);17   fflush(stdout);18 19   close(fd);20   return 0;21 }

此时，我们发现，本来应该输出到显示器上的内容，输出到了文件 myfile 当中，其中，fd＝1。这

种现象叫做输出重定向。常见的重定向有: > , >> , < 。

几个细节：

使用fflush close(1);: 关闭了标准输出文件描述符，导致标准输出流会失效。而 fflush 则起到了一个作用，它会强制刷新缓冲区，并把缓冲区中的数据写入到文件或终端中。

open参数：第一个0表示这是八进制，第二个零是特殊权限设置，644分别是文件所有者、所属组、其他用户的权限。

常见的几种重定向：
>：将标准输出重定向到文件，覆盖原文件内容。
>>：将标准输出重定向到文件，追加到文件末尾。
<：将文件内容作为标准输入提供给命令。
2>：将标准错误重定向到文件，覆盖原文件内容。
2>>：将标准错误追加到文件末尾。
&>：同时将标准输出和标准错误重定向到同一个文件，覆盖原文件内容。
>&：将标准输出和标准错误输出重定向到同一个文件，功能与 &> 类似。
2>&1：将标准错误重定向到标准输出，通常用于将两者合并到同一个文件。

那重定向的本质是什么呢？

4. dup2系统调用

dup2 是一个在 Unix-like 操作系统中用于文件描述符复制的系统调用。它可以将一个文件描述符复制到另一个指定的文件描述符，通常用于重定向输入输出。

参数：

oldfd：现有的文件描述符，通常是一个已打开的文件或设备（如标准输入、标准输出等）。
newfd：目标文件描述符。dup2 会将 oldfd 的副本复制到 newfd，并关闭 newfd（如果它已经打开）。

返回值：

功能：

dup2 会将 oldfd 指向的文件或设备重定向到 newfd。

如果 newfd 已经打开，dup2 会先关闭 newfd，然后将 oldfd 的文件描述符复制到 newfd。

如果 oldfd 等于 newfd，dup2 不会做任何操作，只会返回 newfd。

  1 #include <stdio.h>2 #include <sys/types.h>3 #include <sys/stat.h>4 #include <fcntl.h>5 #include <stdlib.h>6 #include <unistd.h>7 8 int main()9 {10   close(1);11   int fd = open("log.txt", O_RDWR | O_CREAT, 00644);//使用O_APPEND则是追加写入12   if(fd < 0)13   {14     perror("open");15     return 1;16   }17   dup2(fd, 1);18   while(1)                                                                                                                                                                                                                       19   {20     char buf[1024] = {0};21     ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);22     if(read_size < 0)23     {24       perror("read");25       return 1;26     }27     printf("%s", buf);28     fflush(stdout);29   }30 31   return 0;32 }

返回值：

成功时，返回 newfd，即新的文件描述符。
失败时，返回 -1，并设置 errno。

文件描述符与重定向

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