五、文件描述符的分配规则

我们先来看一下连续打开4个文件，所对应的fd都是什么？

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main()
{
     int fd1 = open("./log1.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644);
     int fd2 = open("./log2.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644);
     int fd3 = open("./log3.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644);
     int fd4 = open("./log4.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644);
     printf("fd1:%d\n",fd1);
     printf("fd2:%d\n",fd2);                                                                                                             
     printf("fd3:%d\n",fd3);
     printf("fd4:%d\n",fd4);
     return 0;
}

从运行结果看，它是从3开始向上增长的，因为0/1/2被三个流所占用。

如果我们将0关闭，会是什么样的呢？在原来代码基础上加上 close(0);

我们再将2关闭 close(2);

给新文文件分配fd，是从fd_array数组中找一个最小的，没有被使用过的，作为新的fd。

六、重定向

本来应该写到显示器的数据，去写到了文件中，我们把这种叫做重定向；

1.输出重定向

我们先看一下面的代码，我们本意是想将hello linux!打印到显示器上：

我们只是加了一个close(1)；这段代码，为什么就打印到文件中了呢？

printf函数本质是向stdout输出数据的，而stdout是一个struct FILE*类型的指针，FILE是C语言层面上的结构体，该结构体当中有一个存储文件描述符fd，而stdout指向的FILE结构体中存储的文件描述符就是1，因此printf实际上就是向文件描述符为1的文件输出数据。

C语言的数据并不是立马写到操作系统里面，而是写到了C语言的缓冲区当中，所以使用printf打印完后需要使用fflush将C语言缓冲区当中的数据刷新到文件中。

2.追加重定向

追加重定向和输出重定向的本质区别在于，前者不会覆盖原来的数据内容

3.输入重定向

输入重定向就是，将我们本应该从一个文件读取数据，现在重定向为从另一个文件读取数据

4.stdout和stderr有什么区别呢？

标准输出流和标准错误流对应的都是显示器，它们有什么区别呢？

我们同时向标准输出和标准错误中输出数据，都是能够打印到键盘上的；当我们将其重定向到文件中去时，却发现只有stdout的内容重定向到了文件中。实际上我们在使用重定向的时候，是把文件描述符1的标准输出流重定向了，而不会对标准错误流重定向。

七、系统调用dup2

以上的操作我们都是在关闭标注输入和标准输出后完成重定向的，显得很麻烦，如果标准输入和标准输出都被占用（已经打开了），我们如何去完成重定向呢？要完成重定向我们就可以将fd_array数组中的元素进行拷贝即可；例如：我们将fd_array[3]中的内容拷贝到fd_array[1]中，因为C语言当中的stdout就是向文件描述符为1文件输出数据，那么此时我们就将输出重定向到了文件log.txt 。

在Linux操作系统中提供了系统接口dup2，我们可以使用该函数完成重定向。本质上dup2就是将进程中文件描述表中的需要重定向的内容进行相关的拷贝，dup2的函数原型如下：

#include<unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

函数功能：dup2会将fd_array[oldfd]的内容拷贝到fd_array[newfd]中；

函数返回值：调用成功返回0，失败返回-1；

使用dup2时，我们需要注意以下两点：

如果oldfd不是有效的文件描述符，则dup2调用失败，并且此时文件描述符为newfd的文件没有被关闭。

如果oldfd是一个有效的文件描述符，但是newfd和oldfd具有相同的值，则dup2不做任何操作，并返回newfd

使用dup2——输出重定向

运行结果：

使用dup2——输入重定向

运行结果：

八、关于FILE

1.C库当中的FILE结构体

因为IO相关函数与系统调用接口对应，并且库函数封装系统调用，所以本质上，访问文件都是通过fd访问的。所以C库当中的FILE结构体内部，必定封装了fd。

我们可以使用vim 打开usr/include/stdio.h的文件查看FILE。

typedef struct _IO_FILE FILE; //在/usr/include/stdio.h

struct _IO_FILE {
  int _flags;       /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags
  //缓冲区相关
  /* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */
  /* Note:  Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */
  char* _IO_read_ptr;   /* Current read pointer */
  char* _IO_read_end;   /* End of get area. */
  char* _IO_read_base;  /* Start of putback+get area. */
  char* _IO_write_base; /* Start of put area. */
  char* _IO_write_ptr;  /* Current put pointer. */
  char* _IO_write_end;  /* End of put area. */
  char* _IO_buf_base;   /* Start of reserve area. */
  char* _IO_buf_end;    /* End of reserve area. */
  /* The following fields are used to support backing up and undo. */
  char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
  char *_IO_backup_base;  /* Pointer to first valid character of backup area */
  char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */
  struct _IO_marker *_markers;
  struct _IO_FILE *_chain;
  int _fileno; //封装的文件描述符
#if 0
  int _blksize;
#else
  int _flags2;
#endif
  _IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small.  */
#define __HAVE_COLUMN /* temporary */
  /* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */
  unsigned short _cur_column;
  signed char _vtable_offset;
  char _shortbuf[1];
  /*  char* _save_gptr;  char* _save_egptr; */
  _IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};

2.FILE结构体中的缓冲区

从FILE的源码当中我们发现了FILE结构体里面封装了fd,也就是里面的_fileno。不难发现我们在里面还看到了缓冲区。这里的缓冲区指的是C语言当中的缓冲区。 1.初步了解缓冲区 我们先来看一下下面的代码，代码的含义是输出重定向，观察是否关闭文件描述符，对结果有何影响？

1.不关闭文件描述符，进行输出重定向

2.关闭文件描述符，进行输出重定向

2.缓冲区的深入理解

通过上面两次的运行结果发现，在关闭文件描述符后，重定向的操作失败了，其本质原因就是数据是暂存在缓冲区（用户级缓冲区）的。在操作系统内部也是存在一个内核缓冲区的，用户缓冲区到内核缓冲区的刷新策略有如下几种：

立即刷新：不缓冲
行刷新（行缓冲 \n），比如，显示器打印
缓冲区满了，才刷新（全缓冲），比如，往磁盘文件中写入 当我们向磁盘，显示器等设备写入数据时，一般的流程为，进程运行起来后，数据先是暂存到用户级缓冲区，通过系统调用接口，数据又被暂存到了内核缓冲区，当进程结束时，会自动刷新内核缓冲区的数据到相应的外设中；（从C缓冲区到内核缓冲区也一定是需要fd的）

当我们向磁盘，显示器等设备写入数据时，一般的流程为，进程运行起来后，数据先是暂存到用户级缓冲区，通过系统调用接口，数据又被暂存到了内核缓冲区，当进程结束时，会自动刷新内核缓冲区的数据到相应的外设中；（从C缓冲区到内核缓冲区也一定是需要fd的）

显示器是行缓冲，即遇到'\n'就会刷新数据到显示器；磁盘是全缓冲，当缓冲区满了以后，才会刷新数据到磁盘上；

当我们在重定向时，其数据的刷新策略也会发生变化，（上面的代码中）本来我们是行缓冲的，但是重定向后就变成了全缓冲；两者都是要通过系统调用接口（open）来完成数据的写入；在没有关闭文件描述符fd时，我们能看到重定向后的结果，本质是进程结束了，刷新了缓冲区；在关闭文件描述符fd后，既没有向显示器打印，也没有向文件中打印，本质就是，它要通过系统调用接口先将数据暂存到内核缓冲区，待进程结束后，才刷新到相应的外设中，但是fd已经关闭，就不会刷新到内核在刷新到硬件，所以就看不到任何数据；

再来看一下下面这段代码：

运行结果：

通过上面的运行结果，再结合之前所说，我们这里不是关闭了1吗？为什么还是能够打印出来呢？我们可以看到这里四条输出语句都是向显示器上打印的，并且都有'\n'，表明是行刷新，在关闭1之前就已经刷新到显示器上了。

标准错误不会重定向我们能够理解，但是其他三条语句应该是重定向到文件中呀，而这里运行结果只有一条hello stdout。这是因为，我们的msg1是直接通过系统调用接口，把数据暂存到内核缓冲区，不会把数据暂存到上层的用户级缓冲区，所以关闭1根本就不会影响这个数据刷新到文件；但是下面两个语句由于重定向的原因，刷新策略发生了变化（行缓冲->全缓冲），数据暂存到用户级缓冲区后，本来是等待进程结束后刷新到文件中去的，但是这个过程中却把1关闭了，才导致这两条数据并没有被刷新到文件中；

对于以上的理解有了新的认识后，我们再来看一下这段代码：

运行结果：

通过上面的运行结果发现，当我们直接运行程序时，它向显示器上打印了3条语句，但是我们程序中有创建子进程的语句，当我们重定向后发现文件中多打印了两条语句，而且只是针对C语言的接口，而非系统调用接口；

当我们直接执行可执行程序，将数据打印到显示器时所采用的就是行缓冲，因为代码当中每句话后面都有\n，所以当我们执行完对应代码后就立即将数据刷新到了显示器上。

而当我们将运行结果重定向到log.txt文件时，数据的刷新策略就由行缓冲变成了全缓冲，此时我们使用printf和fprintf函数打印的数据都暂存到了C语言自带的缓冲区当中，之后当我们使用fork函数创建子进程时，由于进程间具有独立性，而之后当父进程或是子进程对要刷新缓冲区内容时，本质就是对父子进程共享的数据进行了修改，此时就需要对数据进行写时拷贝，至此缓冲区当中的数据就变成了两份，一份父进程的，一份子进程的，所以重定向到log.txt文件当中printf和fprintf函数打印的数据就有两份。

Linux —— 基础IO（2）

五、文件描述符的分配规则

六、重定向

1.输出重定向

2.追加重定向

3.输入重定向

4.stdout和stderr有什么区别呢？

七、系统调用dup2

八、关于FILE

1.C库当中的FILE结构体

2.FILE结构体中的缓冲区

2.缓冲区的深入理解

3.如何解决缓冲区不刷新的问题

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