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Linux文件描述符的分配机制与重定向实现：揭开“一切皆文件”的面纱

news 来源：原创 2025/7/3 23:11:54

Linux系列

文章目录

Linux系列
前言
一、Linux的标准流
二、文件描述符分配规则
三、文件重定向
四、Linux下一切皆文件

前言

上篇我们介绍了语言和系统层次的基础I/O文件操作，其涉及的知识有：C语言文件操作和系统调用接口两者的关系、文件描述符的概念、操作系统对文件的管理等。本篇我们将承接上一篇文章以继续深入探讨Linux中文件操作。

一、Linux的标准流

在上篇文章中我们遗留了一个问题：
文件描述符0（标准输入）对应键盘、1（标准输出）对应显示器、2（标准错误）对应显示器，为什么后两者都对应显示器，还要用不同的文件描述符标识？是如何实现的呢？今天我们就来回答这些问题。

    1 #include<stdio.h>2 #include<string.h>3 #include<sys/types.h>4 #include<sys/stat.h>5 #include<fcntl.h>6 #include<unistd.h>7 int main()8 {9   char *str1="normal message\n";10   char *str2="error message\n";11   write(1,str1,strlen(str1));12   write(2,str2,strlen(str2));                                                                                                   13   return 0;14 }

我们的程序分别向标准输出、标准错误打印不同的信息
在这里插入图片描述
现在我们的程序成功执行，并且都打印在了显示器上，这也是符合预期的，我们要想利用标准输出、标准错误需要利用重定向的操作：

在这里插入图片描述
在我们刚开是学习Linux指令（如：cat、echo等）时一定听说过重定向，默认方式为输出重定向。

下面这种方式我们就是将向标准输出打印的数据重定向到normal.txt文件中，将向标准错误打印的信息重定向到err.txt文件中，这样我们就完成了信息分类的工作，那么为什么要这样呢？标准错误，大家想在我们执行程序是，我们是十分重视错误信息的，若是可以将错误信息与正常信息分离，这对我们的开发效率还是比较友好的。下面我们看如何实现的，我们先来看下面这个场景：

    1 #include<stdio.h>2 #include<string.h>3 #include<sys/types.h>4 #include<sys/stat.h>5 #include<fcntl.h>6 #include<unistd.h>7 int main()8 {                                                                                                                               9   close(1);10   char *str1="normal message\n";11   char *str2="error message\n";12   write(1,str1,strlen(str1));13   write(2,str2,strlen(str2));14   return 0;15 }

我们使用close关闭标识符为1的文件，程序执行结果：
在这里插入图片描述
文件描述符1和2，虽然都是对应显示器文件，但是其底层利用引用计数方式来实现，每当多一个文件描述符指向文件，文件所拥有的引用计数就会增减一，相反每当有一个文件描述符关闭，对应文件的文件描述符就会减小一，当文件引用计数为零时，文件就会被关闭。
在这里插入图片描述

二、文件描述符分配规则

  1 #include<stdio.h>2 #include<string.h>3 #include<sys/types.h>4 #include<sys/stat.h>5 #include<fcntl.h>6 #include<unistd.h>7 int main()8 {9   close(0);10   int fd1=open("ll.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);11   int fd2=open("gg.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);12   printf("fd1:%d    fd2:%d\n",fd1,fd2);                                                                                           13   return 0;14 }

我们知道操作系统默认的三个文件描述符为：0、1、2，现在我们关闭标准输入并且打开两个新的文件，查看文件描述符：
在这里插入图片描述
此时文件描述符变为0、3，这是因为当你新打开一个文件时，操作系统会在file_struct数组中，找到当前没有被使用的最小下标，并将文件地址存入下表对应空间，返回下标作为新的文件描述符，这里你可以进行多次尝试验证。

三、文件重定向

我们看下面这个简单的程序：

  1 #include<stdio.h>2 #include<string.h>3 #include<sys/types.h>4 #include<sys/stat.h>5 #include<fcntl.h>6 #include<unistd.h>7 int main()8 {9   close(1);10   int fd=open("gg.txt",O_WRONLY|O_CREAT);11   printf("%d\n",fd);12   return 0;13 }

结合我们上面介绍的，关闭文件描述符1，此时打开文件gg.txt，1就会为gg.txt的描述符。
在这里插入图片描述
可以看到本该打印在显示器上的信息，现在打印在了文件中，而产生这一现象的原因是因为对于printf函数来说，它只是封装了1号文件描述符，当程序执行它时，它就会将数据输出到1号文件描述符对应的文件中，并不会关心该文件是谁，上面这种现象就被称为输出重定向，你也可以尝试关闭0号文件描述符，让scanf从文件中读取，这里就不演示了。
上面这种重定向的行为有一点搓，我们实际运用中一般使用dup2函数来完成重定向工作。

dup2()函数

在这里插入图片描述
这个函数需要两个文件描述作为参数，它会用旧的文件描述符所存储的地址覆盖新的文件描述符处的地址，函数调用成功返回新的文件描述符，失败返回-1
man手册对这给函数描述更抽象，所以没有给大家展示，结合下图理解吧
在这里插入图片描述
下面我们来尝试使用：

  1 #include<stdio.h>2 #include<string.h>3 #include<sys/types.h>4 #include<sys/stat.h>5 #include<fcntl.h>6 #include<unistd.h>7 int main()8 {9   int fd=open("gg.txt",O_WRONLY|O_CREAT);10   dup2(fd,1);11   printf("dup2(%d,%d)\n",fd,1);                                                                                                   12   return 0;13 }

我们用gg.txt的文件描述符，覆盖文件描述符1。
在这里插入图片描述
这样我们就可以利用系统调用完成重定向工作了，当然这只是输出重定向，大家可以尝试输入重定向，下面我们再次认识一下指令方面的重定向

    7 int main()8 {9   char *str1="normal message\n";10   char *str2="error message\n";11   int fd1=open("normal.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);12   int fd2=open("error.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);13   write(1,str1,strlen(str1));                                                                                                   14   write(2,str2,strlen(str2));15   return 0;16 }

./test 1>normal.txt 2>error.txt

上面我们演示了使用这个指令将他吗重定向到不太文件中，接下来我们演示如何重定向到同一文件中。
在这里插入图片描述

./test >myfile 2>&1

这句指令的意思就是将test的执行结果进行输出重定向，并且使用文件描述符1覆盖文件描述符2，这就是对dup2(1,2)的分装，具体原理我们上面已经介绍过了。

四、Linux下一切皆文件

当我们学到这里，就可以理解Linux下一切皆文件的概念了，我们知道计算机的所有操作都是通过进程来完成的，那么对硬件的操作（打开、写入等）也必然是这样，这是如何做到的呢？毕竟每个硬件的操作方式都各有特点（有的可以些，有的只能读。，操作系统将外设全部抽象化，使用结构体来描述他们的属性，虽然属性不同，但是属性的种类还是很接近的，所以操作系统给每个硬件都生成了一个struct_file结构体（这个结构体我们上篇提到过），在结构体中有一个指针，指向一个struct peration_func类型的结构体，这里面就是硬件具体操作方法的指针（函数指针），指针指向每个硬件具体的操作方法，而每个硬件都会提供一个自己的操作方法。
在这里插入图片描述
这里将底层实现差异屏蔽，对上提供相同接口的形式，实现了一切接文件的概念。可以说c++中的继承、多态，就像这里的设计思路一样。