Unix的標准I/O與重定向的若干概念解析

標准I/O與重定向的若干概念

3個標准文件描述符

所有的Unix工具都使用文件描述符0、1和2。如下圖所示，標准輸入文件的描述符是0，標准輸出的文件描述符是1，標准錯誤輸出的文件描述符則是2。Unix假設文件描述符0、1和2都已經被打開，可以分別進行讀、寫和寫的操作。

重定向I/O的是shell而不是程序

通過使用輸出重定向標志，命令cmd>filename告訴shell將文件描述符1定位到文件。於是shell就將文件描述符與指定的文件連接起來。程序持續不斷地將數據寫到文件描述符1中，根本沒有意識到數據的目的地已經改變了。listargs.c展示了程序甚至沒有看到命令行中的重定向符號。

#include <stdio.h> 
 
int main(int ac, char* av[]) { 
    int i; 
    printf("Number of args: %d, Args are: \n", ac); 
    for(i = 0; i < ac; i++) { 
        printf("args[%d] %s\n", i, av[i]); 
    } 
    fprintf(stderr, "This message is sent to stderr.\n"); 
} 

程序listargs將命令行參數打印到標准輸出。注意listargs並沒有打印出重定向符號和文件名。

如上圖所示驗證了關於shell輸出重定向的一些重要概念。

• shell並不將重定向標記和文件名傳遞給程序。
• 重定向可以出現在命令行中的任何地方，並且在重定向標識符周圍並不需要空格來區分。例如上圖命令./listargs testing >xyz one two 2>oops也可以寫成./listargs >xyz testing one two 2>oops，如下圖所示。

最低可用文件描述符(Lowest-Available-fd)原則

文件描述符是一個數組的索引號。每個進程都有其打開的一組文件，這些打開的文件被保持在一個數組中。文件描述符即為某文件在此數組中的索引。並且，當打開文件時，為此文件安排的文件描述符總是此數組中最低可用位置的索引。

將stdin重定向到文件

考慮如何將標准輸入重定向以至可以從文件中讀取數據。更加精確的說，進程並不是從文件讀數據，而是從文件描述符讀取數據。如果將文件描述符0重定向到一個文件，那麼此文件就成為標准輸入的源。

方法1：close-then-open

第一種放方法是close-then-open策略，具體步驟如下：

• 開始時，系統中采用的是典型的設置，即三種標准流是被連接到終端設備上的。輸入的數據流經過文件描述符0而輸出的流經過文件描述符1和2。
• 接下來，調用close(0)，將標准輸入與終端設備的連接切斷。
• 最後，使用open(filename, O_RDONLY)打開一個想連接到stdin上的文件。當前的最低可用文件描述符是0，因此所打開的文件將被連接到標准輸入上。任何從標准輸入讀取數據的函數都將從此文件中讀取數據。

方法2：open-close-dup-close

Unix系統調用dup建立指向已經存在的文件描述符的第二個連接，這種方法需要4個步驟。

• open(file)，打開stdin將要重定向的文件。這個調用返回一個文件描述符fd，這個描述符並不是0，因為0在當前已經被打開了。
• close(0)，將文件描述符0關閉，現在文件描述符0已經空閒了。
• dup(fd)，系統調用dup(fd)將文件描述符fd做了一個復制。此處復制使用最低可用的文件描述符號。因此獲得的文件描述符是0。這樣，就將磁盤文件與文件描述符0連接在一起了。
• close(fd)，使用close(fd)來關閉原始連接，只留下文件描述符0的連接。

dup在學習管道的時候非常重要，一個簡單一點的方案是將close(0)和dup(fd)結合在一起作為一個單獨的系統調用dup2。

重定向I/O：who>userlist

當輸入who>userlist時，shell運行who程序，並將who的標准輸出重定向到名為userlist的文件上。shell實現該重定向的關鍵之處在於fork和exec之間的時間間隙。在fork執行完後，子進程仍然在運行父進程也就是shell程序，並准備執行exec。exec將替換進程中運行的程序，但是它不會改變進程的屬性和進程中所有的連接。也就是說，在運行exec之後，進程的用戶ID不會改變，其優先級也不會改變，並且其文件描述符也和運行exec之前一樣。因此，利用這個原則來實現重定向標准輸出。

此時who就是子進程要執行的命令，當執行fork前，父進程的文件描述符1指向終端。當執行fork之後，子進程的文件描述符也喜歡指向終端，此時，子進程嘗試執行close(1)，close(1)之後，文件描述符1成為最低未用文件描述符，子進程現在再執行creat(userlist, mode)打開文件userlist，文件描述符1被連接到文件userlist。因此，子進程的標准輸出被重定向到文件userlist，子進程然後調用exec執行who。

子進程執行了who程序，於是子進程中的代碼和數據都被who程序的代碼和數據所替換了，然而文件描述符被保留下來。因為打開的文件並非是程序的代碼也不是數據，它們屬於進程的屬性，因此exec調用並不改變它們。

管道編程

管道是內核中一個單向的數據通道，管道有一個讀取端和一個寫入端，可以用來連接一個進程的輸出和另一個進程的輸入。

創建管道

使用系統調用result = pipe(int array[2])來創建管道，並將其兩端連接到兩個文件描述符。如下圖所示，array[0]為讀取數據端的文件描述符，而array[1]則為寫數據端的文件描述符。類似與open調用，pipe調用也使用最低可用文件描述符。

程序pipedemo.c展示了如何創建管道並使用管道向自己發送數據。核心代碼如下：

int len, i, apipe[2]; 
    char buf[BUFSIZ]; 
 
    if(pipe(apipe) == -1) { 
        perror("could not make pipe."); 
        exit(1); 
    } 
 
    printf("Got a pipe! It is file descriptors: {%d %d}\n", apipe[0], apipe[1]); 
 
    while(fgets(buf, BUFSIZ, stdin)) { 
        len = strlen(buf); 
        if(write(apipe[1], buf, len) != len) { 
            perror("writing to pipe."); 
            break; 
        } 
        for(i = 0; i < len; i++) { 
            buf[i] = 'X'; 
        } 
        len = read(apipe[0], buf, BUFSIZ); 
        if(len == -1) { 
            perror("reading from pipe."); 
            break; 
        } 
        if(write(1, buf, len) != len) { 
            perror("writing to stdout"); 
            break; 
        } 
    } 

數據流從鍵盤到進程，從進程到管道，再從管道到進程以及從進程回到終端。

使用fork來共享管道

當進程創建一個管道之後，該進程就有了連向管道兩端的連接。當這個進程調用fork的時候，它的子進程也得到了這兩個連向管道的連接。父進程和子進程都可以將數據寫到管道的寫數據端口，並從讀數據端口將數據讀出。但是當一個進程讀，而另一個進程寫的時候，管道的使用效率是最高的。程序pipedemo2.c說明了如何將pipe和fork結合起來，創建一對通過管道來通信的進程，核心代碼如下：

int pipefd[2]; 
    int len; 
    char buf[BUFSIZ]; 
    int read_len; 
 
    if(pipe(pipefd) == -1) { 
        oops("cannot get a pipe", 1); 
    } 
 
    switch(fork()) { 
        case -1: 
            oops("cannot fork", 2); 
        /*子進程*/ 
        case 0: 
            len = strlen(CHILD_MESS); 
            while(1) { 
                if(write(pipefd[1], CHILD_MESS, len) != len) { 
                    oops("write", 3); 
                } 
                sleep(5); 
            } 
        /*父進程*/ 
        default: 
            len = strlen(PAR_MESS); 
            while(1) { 
                if(write(pipefd[1], PAR_MESS, len) != len) { 
                    oops("write", 4); 
                }  
                sleep(1); 
                read_len = read(pipefd[0], buf, BUFSIZ); 
                if(read_len <= 0) { 
                    break; 
                } 
                write(1, buf, read_len); 
            } 
    } 

技術細節

• 從管道中讀取數據
  當進程試圖從管道讀取數據時，進程被掛起直到數據被寫進管道。
  當所有的寫進程關閉了管道的寫數據端時，試圖從管道中讀取數據的調用會返回0，這意味這文件的結束。
• 向管道中寫數據
  寫入數據阻塞直到管道有空間去容納新的數據。
  如果所有的讀進程都已關閉了管道的讀數據端，那麼對管道的寫入調用將會執行失敗。

總結

• Unix默認從文件描述符0讀取數據，寫數據到文件描述符1，將錯誤信息輸出到文件描述符2。
• 創建文件描述符的系統調用總是使用最低可用文件描述符號。
• 重定向標准輸入、標准輸出和錯誤輸出意味著改變文件描述符0、1和2的連接。
• 管道是內核中的一個數據隊列，其每一端連接一個文件描述符。程序通過pipe系統調用來創建管道。
• 當父進程調用fork的時候，管道的兩端都被復制到子進程中。
• 只有有共同父進程的進程之間才可以用管道連接。

代碼

相關代碼見Github。

參考

• Unix/Linux編程實踐教程