Linux 学习笔记（二十）：基础IO——系统调用、文件描述符与重定向

一、 系统调用 vs 库函数

我们常用 C 语言的 fopen、printf，这属于 C 标准库函数（用户态）。而 Linux 系统底层真正干活的是 系统调用接口：open、read、write、close。
库函数本质上是对系统调用的封装，底层还是通过文件描述符（fd）来操作。

二、 深入理解文件描述符（fd）

使用 open 打开文件后，返回值是一个整数，这就是 fd。它是怎么产生的？
在操作系统的进程控制块（PCB）中，有一个指针指向 files_struct 结构体，里面包含一个指针数组。这个数组的下标就是 fd！

• 0：标准输入（键盘）

• 1：标准输出（显示器）

• 2：标准错误（显示器）
  分配规则：系统分配 fd 时，永远找当前未被使用的最小下标。所以我们新打开的文件默认是 3；如果关掉 0，新打开的文件就会变成 0。

三、 重定向的本质

我们平时用的 >, >> 符号，本质上是改变了 fd 的指向。
如果标准输出（1号）原本指向显示器，我们通过代码让 1 号指向一个磁盘文件，那么 printf 输出的内容就会跑到文件里。
实现这个魔法的核心系统调用是 dup2(oldfd, newfd)。它会将 oldfd 复制给 newfd，让 newfd 也指向同一个文件。

四、 实战代码：体验重定向

int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0644);
// 此时 fd 是 3，指向 log.txt
// 让 1 号（标准输出）也指向 log.txt
dup2(fd, 1);
// 接下来 printf 的内容全都会写入 log.txt，不再显示在屏幕上
printf("这句话被重定向到文件了！\\n");
close(fd);

总结

“一切皆文件”是 Linux 的核心哲学。通过文件描述符，Linux 把硬件（键盘、显示器）和磁盘文件统一成了同一套操作接口。掌握 dup2，就能理解各种重定向和管道底层的运作机制。

自我实战操作

cd ~/linux_study
mkdir io_test
cd io_test

实战 1：体验系统调用 I/O

vim sysio.c

(输入以下代码)

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

int main() {
// 打开文件，如果没有则创建，权限设为 0644
int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
if (fd < 0) {
perror("open");
return 1;
}

printf("成功打开文件，得到的 fd 是: %d\\n", fd); // 大概率是 3

const char *msg = "Hello System IO!\\n";
// 用系统调用 write 写入
write(fd, msg, strlen(msg));

close(fd);
return 0;
}

编译运行：

gcc sysio.c -o sysio
./sysio
cat test.txt

👉 你会发现 fd 是 3。因为 0、1、2 被系统占用了。

实战 2：验证 fd 的分配规则

vim fd_rule.c

(输入以下代码)

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

int main() {
close(0); // 关掉标准输入！
int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
printf("关掉 0 号后，新打开的 fd 是: %d\\n", fd); // 你会发现变成了 0！
close(fd);
return 0;
}

(现象：系统永远找最小的空位。这证明了 fd 就是数组下标。)

实战 3：用 dup2 完成输出重定向

vim redir.c

(输入以下代码)

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
// 1. 打开一个文件（此时 fd 是 3）
int fd = open("log.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0644);

// 2. 将 fd（3）复制给 1（标准输出）
// 原本 1 指向显示器，现在 1 和 3 指向同一个文件！
dup2(fd, 1);

// 3. 此时用 printf 输出，原本该上屏幕的字，全进 log.txt 了！
printf("这句话会被写进文件里！\\n");
printf("标准输出已经被重定向啦！\\n");

close(fd);
return 0;
}

编译运行：

gcc redir.c -o redir
./redir
# 屏幕上什么都不会显示！
cat log.txt # 打开文件看，字全在里面。

实战 4：进阶——给之前写的微型 Shell 加上重定向（选做）

第一步：创建新的 Shell 文件
进入目录，新建一个文件：

cd ~/linux_study/io_test
vim myshell_redir.c

第二步：复制并保存以下代码

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

#define MAX_ARGS 10

// 定义重定向类型
#define NoneRedir 0
#define OutputRedir 1 // >
#define AppRedir 2 // >>

int main() {
char buf[1024];
char *argv[MAX_ARGS];
int redir = NoneRedir;
char *filename = NULL;

while (1) {
// 每次循环重置状态
memset(argv, 0, sizeof(argv));
redir = NoneRedir;
filename = NULL;

printf("myshell> ");
fflush(stdout);

// 1. 获取用户输入
if (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) == NULL) continue;
buf[strcspn(buf, "\\n")] = 0; // 去除换行符

if (strcmp(buf, "exit") == 0) break;
if (strlen(buf) == 0) continue;

// 2. 解析重定向（非常简单粗暴的解析：找 > 或 >>）
char *ptr = strstr(buf, ">>");
if (ptr != NULL) {
redir = AppRedir;
*ptr = '\\0'; // 把 >> 变成字符串结束符，切断前面命令
filename = ptr + 2; // 文件名在 >> 的后面
while (*filename == ' ') filename++; // 跳过空格
} else {
ptr = strchr(buf, '>');
if (ptr != NULL) {
redir = OutputRedir;
*ptr = '\\0'; // 把 > 变成字符串结束符
filename = ptr + 1; // 文件名在 > 的后面
while (*filename == ' ') filename++; // 跳过空格
}
}

// 3. 解析命令行（按空格切分，注意：此时 buf 里只剩下命令部分了）
int argc = 0;
argv[argc] = strtok(buf, " ");
while (argv[argc] != NULL) {
argc++;
argv[argc] = strtok(NULL, " ");
}
if (argc == 0) continue; // 用户只敲了回车或重定向符号

// 4. Fork 创建子进程执行
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
// — 子进程内部 —

// 核心：处理重定向！
if (redir != NoneRedir && filename != NULL) {
int fd = -1;
if (redir == OutputRedir) {
// 以写方式打开，不存在则创建，存在则清空
fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
} else if (redir == AppRedir) {
// 以追加方式打开，不存在则创建
fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0644);
}

if (fd < 0) {
perror("open error");
exit(1);
}

// 将标准输出（1）指向我们打开的文件
dup2(fd, 1);
close(fd); // 复制完就可以关掉原来的 fd 了
}

// 执行命令
execvp(argv[0], argv);
perror("execvp error"); // 走到这说明命令没找到
exit(1);
} else if (pid > 0) {
// 父进程等待回收
wait(NULL);
}
}
return 0;
}

第三步：编译并运行

gcc myshell_redir.c -o myshell_redir
./myshell_redir

第四步：见证奇迹的时刻
在 myshell> 提示符下，依次输入以下命令体验：