I/O重定向和管道——《Unix/Linux编程实践教程》读书笔记（第10章）

1、I/O重定向的概念与原因 及 标准输入、输出的标准错误的定义

所以的Unix I/O重定向都基于标准数据流的原理。三个数据了分别如下：

1）标准输入——需要处理的数据流

2）标准输出——结果数据流

3）标准错误输出——错误消息流




概念：所以的Unix工具都使用文件描述符0、1和2。标准输入文件的描述符是0,标准输出的文件描述符是1，而标准错误输出的文件描述符则是2。Unix假设文件描述符0、1、2已经被打开，可以分别进行读写操作。

通常通过shell命令行运行Unix系统工具时，stdin、stdout、stderr连接在终端上。因此，工具从键盘读取数据并且把输出和错误消息写到屏幕。

大部分的Unix工具处理从文件或标准输入读入的数据。如果在命令行上给出了文件名，工具将从文件读取数据。若无文件名，程序则从标准输入读取数据。从另一方面说，大多数程序并不接收输出文件名；它们总是将结果写到文件描述符1,并将错误消息写到文件描述符2。如果希望将进程的输出写道文件或另一个进程的输入去，就必须重定向相应的文件描述符。

重定向I/O的是shell而不是程序

最低可用文件描述符（lowest-available-fd）原则：文件描述符是一个数组的索引号。每个进程都有其打开的一组文件。这些打开的文件被保持在一个数组中。文件描述符即为某文件在此数组中的索引。当打开文件时，为此文件安排的描述符总是此数组中最低可用位置的索引。

将文件描述符0、1、2的概念和最低可用文件描述符原则结合使用，即可理解I/O重定向的工作原理




2、重定向标准I/O到文件

（1）如何将stdin定向到文件

a、close-then-open策略

close(0);
int fd = open(file, O_RDONLY);

b、open-close-dup-close策略

int oldfd = open(file, O_RDONLY);
#ifndef DUP2
    close(0);
    int newfd = dup(oldfd);
#else
    int newfd = dup2(oldfd, 0);
#endif
close(oldfd);

man 2 dup

#include <unistd.h>

int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd, int newfd);

系统调用dup复制了文件描述符oldfd。而dup2将oldfd文件描述符复制给newfd。两个文件描述符都指向同一个打开的文件。这两个调用都返回新的文件描述符，若发生错误，则返回-1。




c、open-dup2-close策略




（2）重定向到文件

共有3个基本的概念，利用它们是的Unix下的程序可以轻易地将标准输入、输出和错误信息输出连接到文件：

a、标准输入、输出以及错误输出分别对应于文件描述符0、1、2；

b、内核总是使用最低可用文件描述符；

c、文件描述符集合通过exec调用传递，且不会被改变。

例子：

/*
 * who_to_file.c
 * purpose: show how to redirect output for another program
 * idea: fork, then in the child, redirect output, then exec
 */

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main(void)
{
    pid_t   pid;
    int     fd;

    printf("about to run who into a file\n");

    /* create a new process or quit */
    if ((pid = fork()) == -1)
    {
        perror("fork");
        exit(1);
    }

    /* child does the work */
    if (pid == 0)
    {
        close(1);
        fd = creat("userlist", 0644);
        execlp("who", "who", NULL);
        perror("execlp");
        exit(1);
    }

    /* parent waits then reports */
    else
    {
        wait(NULL);
        printf("done running who. results in userlist\n");
    }

    return 0;
}

3、管道编程

（1）创建管道

man 2 pipe

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);

系统调用pipe创建管道并将两端连接到两个文件描述符。pipefd[0]为读数据端的文件描述符，而pipefd[1]则为写数据端的文件描述符。




（2）技术细节：管道并非文件

a、从管道中读数据

管道读取阻塞：当进程试图从管道中读数据时，进程被挂起直到数据被写进管道。

管道的读取结束标志：当所以的写操作关闭了管道的写数据端时，试图从管道读取数据的调用返回0，意味着文件的结束。

多个读操作可能会引起麻烦：管道是一个队列。当进程从管道中读取数据之后，数据已经不存在了。

b、向管道中写数据

写入数据阻塞直到管道有空间去容纳新的数据

写入必须保证一个最小的块大小：POSIX标准规定内涵不会拆分小于512字节的块。而Linux则保证管道中可以存在4096字节的连续缓存。如果两个进程向管道写数据，并且没一个进程都限制其消息不打由于512字节，那么这些消息都不会被内核拆分。

若无读操作在读数据，则写操作执行失败：如果所以的读操作都已将管道的读取端关闭，那么对管道的写入调用将会执行失败。如果在这种情况下，数据还可以被接收的话，为了避免数据丢失，内核采用了两种方法来通知进程：“此时的写操作是无意义的”。首先，内核发送SIGPIPE消息给进程。若进程被终止，则无任何事情发生。否则write调用返回-1,并且将errno置为EPIPE。

例子：

/*
 * pipe.c -
 *      demonstrates how to create a pipeline from one process to another
 * takes two args, each a command, and connectes
 * argv[1]s output to input of argv[2]
 * usage: pipe command1 command2
 * effect: command1 | command2
 * limitations: commands do not take arguments
 * users execlp() since known number of args
 * note: exchange child and parent and watch fun
 */

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

#define oops(m, x)  { perror(m); exit(x); }

int main(int argc, char **argv)
{
    int     thepipe[2],
            newfd,
            pid;

    if (argc != 3)
    {
        fprintf(stderr, "usage: ./pipe cmd1 cmd2\n");
        exit(1);
    }

    if (pipe(thepipe) == -1)
        oops("cannot get a pipe", 1);

    if ((pid = fork()) == -1)
        oops("cannot fork", 2);

    if (pid > 0)
    {
        close(thepipe[1]);

        if (dup2(thepipe[0], 0) == -1)
            oops("could not redirect stdin", 3);

        close(thepipe[0]);
        execlp(argv[2], argv[2], NULL);
        oops(argv[2], 4);
    }

    close(thepipe[0]);

    if (dup2(thepipe[1], 1) == -1)
        oops("could not redirect stdout", 4);

    close(thepipe[1]);
    execlp(argv[1], argv[1], NULL);
    oops(argv[1], 5);

    return 0;
}