I/O 重定向

I/O 重定向 算是一个灰常简单的概念，《深入理解计算机系统》这本书中对它的讲解不到一页，但依然很清楚的说明了 I/O 重定向 是怎么一回事。

当时感觉很简单，也就没在意，今天感觉可以来尝试一下，毕竟，这个东东看起来还是很有趣的。

通常情况下，操作系统内部使用小的非负整数 文件描述符 来标识打开的文件，一切对文件的操作都是通过 文件描述符 来完成的。

一般来说，两个不同的 文件描述符 标识的是不同的文件，比如：描述符 0 标识 标准输入, 1 标识 标准输出.

而 I/O 重定向 操作，就是将一个 文件描述符 标识的文件替换为另一个文件。

很明显，重定向的操作需要修改操作系统内部的数据结构，而作为操作系统使用者的我们，是无法直接操作操作系统内部的数据结构的。

要实现真正意义上的 I/O 重定向, 就只能通过 系统调用 来完成。

在 Unix/Linux 系统中，可以通过如下函数完成 I/O 重定向操作:

int dup2(int oldfd, int newfd);

这个函数将 newfd 标识的文件替换为 oldfd 标示的文件，操作成功后，描述符 oldfd 和 newfd 两个描述符标识的文件就是同一个文件了。

如果 newfd 标识的文件未关闭， dup2 还会贴心的帮你把它关上。

可以简单看一下这个函数的实现：

static int dupfd(unsigned int fd, unsigned int arg)
{
  ...
  (current->filp[arg] = current->filp[fd])->f_count++;
  return arg;
}

int sys_dup2(unsigned int oldfd, unsigned int newfd)
{
  sys_close(newfd);
  return dupfd(oldfd,newfd);
}

可以看到，调用 dup2 后会首先关闭 newfd 标识的文件，然后在 dupfd 函数中：

(current->filp[arg] = current->filp[fd])->f_count++;

将 flip[arg] 标识的文件替换为 flip[fd] 标识的文件。

完整的源码链接： Linux-0.11/fs/fcntl.c#L18.

在 Shell 中，通过管道命令 | 可以将上一个命令的 标准输出 重定向为下一个命令的 标准输入.

相应的，我们可以在程序内部重定向 标准输出 到 文件:

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

int main(int argc, char* argv[]) {
  char input[100] = {0};

  int fd = open("out.txt", O_RDWR|O_CREAT, S_IRUSR|S_IWUSR);
  dup2(fd, 1);

  fgets(input, 100, stdin);  // 从标准输入获取输入
  printf("%s", input);  // 输出到标准输出

  close(fd);
  return 0;
}

上述代码将得到的部分标准输入重定向到文件 out.txt, 当然，这并没有什么意义，毕竟，完全可以用 > 操作符代替。

对一般用户来说，重定向的具体实现是怎样的没有多大意义，只要结果正确就行了。

系统级的实现需要用到 文件描述符 这个非负整数值，而高级语言的标准输入输出库中的文件对象通常都不是这个整数值。

因此，与其使用 dup2 这种 系统级 的 I/O 重定向 实现，不如简单一点，直接替换 文件对象 的引用就行了。

>>> import sys
>>> sys.stdout = open('out.txt', 'w')
>>> sys.stdout.fileno()

# $  cat out.txt
# 3

在 Python 中，像上面那样，替换了 stdout 后，虽然不是将描述符 1 标识的文件替换为 out.txt, 但执行结果上，效果是一样的。

Tips: C 语言中可以用 freopen() 替换标准 I/O 流。

对系统底层的了解越多，就越能感受到现在的高级语言为我们提供了多少便利。

前人栽树后人乘凉啊！