Linux - 基础IO（重定向 - 重定向模拟实现 - shell 当中的重定向）- 下篇-编程知识

前言

上一篇博客当中，我们对文件在操作系统当中是如何就管理的，这个问题做了详细描述，本篇博客将基于上篇博客当中的内容进行阐述，如有疑问，请参考上篇博客：

Linux - 基础IO（Linux 当中的文件，文件系统调用接口，文件描述符）- 上篇-CSDN博客

重定向

文件描述符的分配规则

我们先来看一个例子：

此时我们先关闭 0 号文件，也就是 stdin 这个文件，然后在使用 open（）系统调用接口来创建一个新的文件，打印这个新文件的 fd 。输出：

发现新文件的 fd 文件描述符是 0，也就是原本的 stdin 这个文件描述符。

同样，我们把 1 号文件和 2 号文件都试一试，先是 1 号文件：

输出：

发现并没有输出，因为 printf（）函数其中使用的系统调用接口就是 1 号文件的 stdout 这个流。

但其实，输出就是1 。

此时，其实是几输入到文件当中了的，只是当前的进程的 stdout 已经被关闭了，所以进程当中是无法使用 printf（）函数打印出信息的：

关闭 2 号文件：

输出：

发现，此时新打开的文件的文件描述符 fd 就是开始关闭的 2 号文件。

所以，按照以上的输出，其实我们已经可以得出结论了：

在 Linux 当中的文件描述符的分配规则是：

如果有新的文件要打开，那么就要为这个文件分配一个新的没有被其他文件使用过的文件描述符 fd。

分配是按照： 从文件描述符表当中的 0 号下标位置处开始，寻找最小的还没有使用过的数组位置，这个位置的下标就是新文件的 fd 文件描述符。

重定向理解 - 重定向的原理

像上述的，把 1 号文件也就是 stdout 这个显示器文件给关闭了，所以我们使用printf（）函数就是不能在显示器当中输出数据了。

但是，上述也说过，虽然不会在显示器当中输入，但是会在 log.txt 这个新打开的文件当中，把原本应该输出在显示器当中的数据，写入到 log.txt 这个文件当中。

这是为什么呢？
其实看上述的代码你应该也知道了，因为 write（）函数是固定像 1 号文件当中写入数据，但是 1 号文件在 log.txt 这个新文件打开之前就被关闭了。

也就是说，在 log.txt 这个新文件打开之前， 1 号 fd 文件描述符已经空闲下来了，所以，新文件就会直接使用 1 号这个 fd 文件描述符。

所以，在后序循环当中使用 write（）函数在 1 号文件当中写入数据，实际是在 log.txt 当中写入数据。

其实，像上述的过程，就是一种重定向。

如上图所示，原本 1 号文件描述符指向的是显示器文件，但是现在指向的是 log.txt 这个文件了。

而这个变化的过程， 编译器在执行之时，也就是 while（）循环当中的代码在执行之时，其实是不知道的，他只知道，现在要向 1 号文件当中写入数据，但是它不知道 1 号文件，此时是显示器文件还是 log.txt 文件，还是其他什么文件，他是不知道的。

而，上述的过程，就是重定向的原理。

所以，在上图当中的 fd_array [] 数组当中的每一个元素存储的是文件对象的起始地址，修改几号fd ，其实就是修改 fd_array [] 数组当中的 fd 下标位置的文件对象的地址地址指针。

而，在代码层面，他不管他现在的任务是要在哪一个文件当中写入数据，这个文件在哪，这个文件的地址是多少，这些他都不关系；它只关心，这是几号文件，要在哪一个 fd 的文件的文件当中写入数据。

重定向的系统调用接口

有三个调用接口。我们主要来谈谈 dup2（）这个函数：

使用 dup2（）函数，就可以不向上述一样显示的使用 close（）函数来关闭文件，来实现重定向的功能，直接使用这个 dup2（）函数即可：

使用 dup2（）函数，就不用在关闭 1 号文件了当我们在程序当中已经打开了某一个文件，创建了这个文件的文件描述符，那么在这个文件描述符指向的文件描述符表的下标位置，就存储了这个文件的文件对象的地址。

使用 dup2（）函数，直接把某一个文件在文件描述符表当中存储的文件对象的地址，直接拷贝到需要重定向的在文件描述符表当中存储的文件对象的地址当中。如下图所示：

而 dup2（）函数的两个参数：

在上述说过的拷贝的过程当中，谁是 "oldfd" ，谁是 "newfd" 呢？

在上述例子当中， 1 号文件是要被 fd 也就是 log,txt 文件对象地址所拷贝的，1 号是被拷贝；fd 是拷贝。

所以，在上述例子当中 1 号是 "newfd"； fd 是 "oldfd" 。

dup2(fd , 1);

dup2() 接口例子测试

输出重定向

还是上述的例子，只不过，此时不使用 close（）关闭文件来实现了，而是使用 dup2（）函数来实现：

输出：

在原本是空的 log.txt 文件当中，在运行 text 可执行程序之后，log.txt 当中已经被写入了数据。

现在的输出结果和上述使用 close（）关闭文件实现的效果是一样的。

像上述我使用的是 O_TRUNC ，是先清空文件当中的内容，然后在从头开始写入数据，对应的就是 ">" 这个输出重定向。

如果我们把 O_TRUNC 换成 O_APPEND，就是追加的方式来写入数据，对应的就是 ">>"这个输出重定向。

（输入重定向） - 使用 read（）系统调用接口和 dup2（）

其中的 count 是我们期望 read（）函数读取多少个字节的内容，返回值 ssize_t（这个是有符号整数）是实际read（）函数读取到多少字节的内容。写入到 buf 当中。

比如，count 期望大小我们填入 1024个字节，fd 文件我们选择 0 号键盘文件，那么，他就会一直阻塞等待我们在键盘当中输入数据到缓冲区当中读取。

在 open（）函数当中，我们可以使用 O_RDONLT 这个参数，代表的意思就是只读。

输出：

此时，我们使用read（）函数在 log.txt 文件当中读取内容，在读取之前，使用 dup2（）函数，把 0 号文件（也就是键盘文件的 fd 值），直接替换为 log.txt 文件对象的地址：

此时输出：

此时，运行程序，直接把文件当中的内容给输出出来了。

此时我们使用 O_RDONLT 这个参数，就实现了 "<" 输入重定向的操作。

这不就是cat命令吗？

直接使用 cat 命令，就可以等待我们在键盘当中的输入，然后把输入内容打印出来：

或者是使用 "<" 来向文件当中，读取文件数据并打印：

使用 printf（）向文件当中写入数据

在这个例子当中，我们把 1 号文件，利用 dup2（）函数把 1 号文件的文件指针修改为 log.txt 文件，此时，printf（）函数 fprintf（）就在 log.txt 文件当中写入数据了：

在上述输出当中， 在显示器当中没有输出，但是在 log.txt 文件当中已经有数据了。

所以，在上述，就算我们 close（fd），这个程序同样是会在 log.txt 文件当中的输入数据的，因为，此时 log.txt 文件对象的地址不只是 fd 保存的，还有 1 号文件描述符也是保存了 log.txt 的文件对象的地址。

而且，我们是在 1 号文件当中写入的，所以，是不会影响在log.txt 文件当中写入数据的。

shell 当中的输入/输出重定向的实现概述

上述我们已经介绍了输入/输出重定向的简单实现，所以，在shell 当中，其实这些输入/输出重定向命令是属于内建命令，直接在内建命令当中判断类似 ">>" ">" "<" 这样的字符子串，就可以判断，当前是不是输入/输出重定向的操作，就可以执行上述所实现的逻辑。

ls -a -l > myfile / ls -a -l >> myfile / cat < file.txt

向上述的操作，我们可以发现， ">>" ">" "<" 这样的字符子串都是被空格分隔开的，我们可以利用之前在shell 模拟实现当中分割字符串的操作，来提取出 ">>" ">" "<" 这样的字符子串。从而判断当前是不是输入/输出重定向操作。

（对于 shell 的模拟实现，参考这篇博客：Linux - 实现一个简单的 shell-CSDN博客）

其实做的工作非常简单：

在知道了上述的重定向实现原理之后，其实我们只需要做判断即可：

比如上述判断 ">" 和 ">>" ，如果当前的字符是 ">" 的话，如果下一个字符还是 ">" 的话，说明是 ">>" ，反之亦然；找到 ">" 或者 "<" 先把这两个字符修改为 '\0' 作为分割，因为在 ">" 或者 "<" 之前的是要输入或者要输出的数据，而在 ">" 或者 "<" 后面的是文件名。

我们使用 isspace（）函数来判断空格：

在空格之后就是我们想要的文件名。

找到之后，就要保存两段的数据命令和文件名

在 shell 父进程创建子进程的之后马上 ，就要判断当前是否是需要执行重定向操作的（如果是，还有判断是哪一个重定向操作）：

如上所示，在判断是哪一个重定向，然后就按照对应的要求，修改 1 或者0 的其中一个文件描述符值。

同时，文件打开方式也是区分不同重定向操作的步骤。0666 是八进制的 666 ，代表用 open（）函数创建的文件，是什么访问权限。（注意要减去 umack）

完整代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <ctype.h>
#include <fcntl.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 44#define NONE -1
#define IN_RDIR     0
#define OUT_RDIR    1
#define APPEND_RDIR 2int lastcode = 0;
int quit = 0;
extern char** environ;
char commandline[LINE_SIZE];
char* argv[ARGC_SIZE];
char pwd[LINE_SIZE];
char* rdirfilename = NULL;
int rdir = NONE;// 自定义环境变量表
char myenv[LINE_SIZE];
// 自定义本地变量表const char* getusername()
{return getenv("USER");
}const char* gethostname1()
{return getenv("HOSTNAME");
}void getpwd()
{getcwd(pwd, sizeof(pwd));
}void check_redir(char* cmd)
{// ls -al -n// ls -al -n >/</>> filename.txtchar* pos = cmd;while (*pos){if (*pos == '>') // 判断当前是 ">" ">>" 还是 "<"{if (*(pos + 1) == '>') {   // 判断当前是 ">" 还是 ">>" *pos++ = '\0';*pos++ = '\0';while (isspace(*pos)) pos++;rdirfilename = pos;rdir = APPEND_RDIR;break;}else {      // 是 ">"          *pos = '\0';pos++;while (isspace(*pos)) pos++;rdirfilename = pos;rdir = OUT_RDIR;break;}}else if (*pos == '<')  // 是 "<"{*pos = '\0'; // ls -a -l -n < filename.txtpos++;while (isspace(*pos)) pos++;rdirfilename = pos;rdir = IN_RDIR;break;}else {//do nothing}pos++;}
}void interact(char* cline, int size)
{getpwd();printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ", getusername(), gethostname1(), pwd);char* s = fgets(cline, size, stdin);assert(s);(void)s;// "abcd\n\0"cline[strlen(cline) - 1] = '\0';//ls -a -l > myfile.txtcheck_redir(cline);  // 在上述打印完 命令行，保存命令之后，用这个函数判断// 命令当中是否有 重定向操作
}int splitstring(char cline[], char* _argv[])
{int i = 0;argv[i++] = strtok(cline, DELIM);while (_argv[i++] = strtok(NULL, DELIM)); // 故意写的=return i - 1;
}// 这个函数主要是实现 有 shell 父进程创建 子进程的过程
void NormalExcute(char* _argv[])
{pid_t id = fork();if (id < 0) {perror("fork");return;}else if (id == 0) {int fd = 0;// 判断当前子进程是否需要执行 重定向的工作if (rdir == IN_RDIR) // 执行输入重定向{fd = open(rdirfilename, O_RDONLY);dup2(fd, 0);}else if (rdir == OUT_RDIR) // 执行 ">" {fd = open(rdirfilename, O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);dup2(fd, 1);}else if (rdir == APPEND_RDIR)// 执行 ">>" {fd = open(rdirfilename, O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);dup2(fd, 1);}//让子进程执行命令//execvpe(_argv[0], _argv, environ);execvp(_argv[0], _argv);exit(EXIT_CODE);}else {int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if (rid == id){lastcode = WEXITSTATUS(status);}}
}// 这个函数当中是判断 和 实现一些内建命令的
int buildCommand(char* _argv[], int _argc)
{if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "cd") == 0) {chdir(argv[1]);getpwd();sprintf(getenv("PWD"), "%s", pwd);return 1;}else if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "export") == 0) {strcpy(myenv, _argv[1]);putenv(myenv);return 1;}else if (_argc == 2 && strcmp(_argv[0], "echo") == 0) {if (strcmp(_argv[1], "$?") == 0){printf("%d\n", lastcode);lastcode = 0;}else if (*_argv[1] == '$') {char* val = getenv(_argv[1] + 1);if (val) printf("%s\n", val);}else {printf("%s\n", _argv[1]);}return 1;}// 特殊处理一下lsif (strcmp(_argv[0], "ls") == 0){_argv[_argc++] = "--color";_argv[_argc] = NULL;}return 0;
}int main()
{while (!quit) {// 1.rdirfilename 用于保存文件名， rdir 保存要输入/输出的数据方式（命令）rdirfilename = NULL;rdir = NONE;// 2. 交互问题,获取命令行, ls -a -l > myfile / ls -a -l >> myfile / cat < file.txtinteract(commandline, sizeof(commandline));// commandline -> "ls -a -l -n\0" -> "ls" "-a" "-l" "-n"// 3. 子串分割的问题，解析命令行int argc = splitstring(commandline, argv);if (argc == 0) continue;// 4. 指令的判断 // debug//for(int i = 0; argv[i]; i++) printf("[%d]: %s\n", i, argv[i]);//内键命令，本质就是一个shell内部的一个函数int n = buildCommand(argv, argc);// 5. 普通命令的执行if (!n) NormalExcute(argv);}return 0;
}