基础IO——文件描述符_文件描述符为什么会打开两次屏幕

1. 文件描述符fd

1.1 open返回值

我们先来看下面的例子：

运行结果如下：

我们知道open的返回值小于0为失败，大于等于0为成功。

那么为什么从3开始，0，1，2是什么？
原因是：0，1，2默认打开了。
0：标准输入，键盘
1：标准输出，显示器
2：标准错误，显示器

而在C语言中是：

它们是什么关系呢？
首先，FILE是C库提供的结构体。结构体会封装许多成员，而对应文件操作而言，系统接口只认fd。所以，结构体里肯定有fd！

证明0，1，2就是标准IO：

我们先验证0标准输入：

运行结果如下：

然后验证1，2：

验证0，1，2和stdin，stdout，stderr的对应关系：

因为stdin，stdout，stderr都是FILE类型的指针，可以用箭头来指向里面的数据。

可以看到它们就是0，1，2。

2. 理解Linux下一切皆文件

我们知道：一个进程是可以打开多个文件。进程 ：打开文件=1：n。所以系统在运行中，可能会存在大量的被打开的文件，而OS肯定会管理这些被打开的文件。而管理就是先描述，再组织。

先描述：一个文件被打开，在内核中，要创建被打开的文件的内核数据结构(struct file)，里面包含了文件大部分内容和属性。

再组织：对被打开的文件的管理，转化成为了对链表的增删查改。

上面说过进程：打开文件=1：n的关系。那么进程如何和打开的文件建立映射关系呢？

在struct task_struct中，有一个指向结构体的指针(struct files_struct *fs)。

在struct files_struct 结构体中，有一个数组，这是一个指针数组，里面指向文件的结构体。

这样我们可以根据下标来找到文件的内容。

0，1，2对应的stdin，stdout，stderr是键盘，显示器，显示器。这些都是硬件，也是用struct file来标识对应的文件的吗？

这就要理解Linux下一切皆文件了！

第一个问题：如何如何用C语言来实现类呢？
我们知道C语言的结构体里是不能写成员方法的，所以我们只能用函数指针。

如果我们想去调用的话，我们可以这样去传：

这样我们就可以面向对象的去使用了。

这是我们的外设设备，每一个外设都有属于自己的读，写方法。

不同的设备，对应的读写方法一定是不一样的。

然后如何去调用这些方法，就和我们上面说的一样。

所以，当我们想访问某个设备时，操作系统就会创建一个struct file。而在上一层，就是我们刚刚说的进程和struct file的关系了。

3. 文件描述符的分配规则

前面的例子中：默认打开的是3，因为0，1，2已经打开了。

文件描述符的分配规则：在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。

我们再来看下面的例子：

我们先把0关闭了。看一下运行结果：

我们再换成2：

运行结果：

我们再换成1：

运行结果：

但是1，它什么都不打印了。这是为什么呢？按照文件描述符的分配规则，fd的值一定是1啊。
原因是：一开始我们把1关上了，然后我们open了log.txt文件，那么1就不在指向对应的显示器了。而是已经指向了log.txt的底层struct file对象了。

但是你会发现，log.txt里还是没有。因为我们需要刷新缓冲区。


这里，我们要说两个问题：一个是重定向的本质，一个是缓冲区的问题。

4. 重定向的本质

我们先看下面的代码：

这个把printf换成fprintf，好理解。那么本来应该要往显示器打印，最终却变成了向指定文件打印，这个不就是重定向吗？

正常的情况：

当我们把1关闭了，然后再打开文件的情况：

而在C标准库中，stdout里的fd我们天然的设成了1。但是它并不知道1的file对象已经发生了变化，所以还是向1的对象里写入。所以就会写入到新文件里了。

重定向的原理：如果要进行重定向，上层只认0，1，2，3，4…这样的fd，我们可以在操作系统内部，通过一定的方式调整数组的特定下标的内容(指向)，我们就可以完成重定向操作了。

4.1 使用 dup2 系统调用

这是一个普通的文件打开操作。如果此时我们要输出重定向到文件里，一定是让3里的file* 的内容复制给1里的file* 。

所以，最后都和fd里的内容一样了。

上面的一堆数据，都是内核数据结构，只有操作系统有权限。所以，操作系统必定会提供接口。那么这个接口就是dup2。

这个函数的意思是：

将oldfd复制给newfd, 两个文件描述符指向同一个文件。
注意：这里复制的不是下标，而是下标里所指向的内容。

所以，根据上面所说的过程，这个函数的参数我们该如何传呢？
答案就是：dup2(fd,1)

这样就完成了重定向。

dup2也是有返回值的，但是不常用：返回值： 若dup2调用成功则返回新的文件描述符，出错则返回-1。

这就是当我们输出重定向完成了，如果我们不想要fd，可以把它关了。

这样，还是可以在1里完成重定向。

4.2 追加重定向

追加重定向，只需改一下标记位就行了：

运行结果如下：

4.3 输入重定向

这是正常的从键盘输入，显示器打印的方式。

如果我们想输入重定向，那么就不是从键盘读，而是从文件里读。

我们将0(stdin)重定向。