linux技術(shù)：什么是標準輸入輸出文件

0x01 什么是標準輸入輸出

準確來講，該問題應(yīng)該是什么是標準輸入、標準輸出、標準錯誤輸出。

在linux下，它們其實就是三個文件描述符，其中標準輸入是0，標準輸出是1，標準錯誤輸出是2。

該定義我們也可以在各個編程語言中看到。

比如，這是rust標準輸入、標準輸出、標準錯誤輸出的定義：

其中，libc::STDIN_FILENO, libc::STDOUT_FILENO, libc::STDERR_FILENO對應(yīng)的值分別為：

比如，這是go標準輸入、標準輸出、標準錯誤輸出的定義：

其中，syscall.Stdin, syscall.Stdout, syscall.Stderr對應(yīng)的值分別為：

其他編程語言中也有類似的定義，感興趣的話可以自己看下。

0x02 為什么是0/1/2

這只是一種約定，linux內(nèi)核并不會對0/1/2文件描述符做任何特殊處理，之所以定義為0/1/2，是因為進程文件描述符是從0開始依次遞增的，所以就用了前三個。

0x03 為什么要有這種約定

這是因為，只有有了這種約定，linux世界的各個組件之間才能相互合作。

比如，在terminal emulator，即終端模擬器，中啟動bash子進程時，因為知道bash的標準輸入/輸出/錯誤輸出分別是0/1/2，那它就可以把bash子進程的0/1/2文件描述符都指向自己，這樣當bash做標準輸入輸出操作時，它其實都是在和terminal emulator交互。

又比如，當bash要執(zhí)行某個程序時，因為它知道目標程序所使用的編程語言，把標準輸入/輸出/錯誤輸出分別定義為0/1/2，這樣當我們要求bash把目標程序的標準輸入/輸出/錯誤輸出重定向到其他文件時，bash只需要修改目標程序進程的0/1/2文件描述符的文件指向就好了，非常簡單。

諸如此類。

0x04 為什么是三個文件描述符而不是一個

上面我們講到，bash進程的0/1/2文件描述符都指向terminal emulator，其實這個說法并不準確，它們真正指向的是terminal emulator向內(nèi)核分配的pty數(shù)據(jù)通道的slave端，這個在上篇文章?為什么Ctrl-C會中斷當前運行程序 中有詳細講過。

但不管怎樣，bash進程的0/1/2文件描述符，都是指向內(nèi)核中的同一個文件實例，而該文件實例最終又指向了terminal emulator。

同樣，bash中運行的其他程序，默認情況下，其進程的0/1/2文件描述符，是繼承自bash的，所以也同樣都指向了同一個terminal emulator。

既然進程的0/1/2文件描述符，默認都指向同一個terminal emulator，那為什么不只用一個文件描述符來表示它們的標準輸入/輸出/錯誤輸出，而是要用三個呢，這不是浪費了進程的文件描述符嗎？

原因也很簡單，這樣做更靈活。

雖然默認情況下，進程的0/1/2都指向了同一個terminal emulator，但它給了我們一種能力，使我們可以把進程的標準輸入/輸出/錯誤輸出指向不同的文件。

比如，我們在bash中執(zhí)行 ./hello > a.log，就會把hello程序的標準輸出重定向到了a.log里，而標準輸入和標準錯誤輸出，還是指向的原來的terminal emulator。

0x05 什么是文件描述符

在linux世界里，一切皆文件。

比如我們創(chuàng)建一個socket，創(chuàng)建一個epoll實例，又或者是打開一個普通文件，所有的這些操作創(chuàng)建的目標對象，在內(nèi)核里最終都是以一個file實例來表示的，該file實例會存放到進程的一個文件數(shù)組中，而該數(shù)組的下標，就是文件描述符，即fd。

該fd值，會隨著我們使用的系統(tǒng)調(diào)用，返回給用戶程序，當用戶程序想對目標文件進行各種操作時，執(zhí)行該操作對應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用，把fd值再傳給內(nèi)核，這樣內(nèi)核就可以根據(jù)該fd找到對應(yīng)的file實例，進而就可以執(zhí)行對應(yīng)的操作了。

0x06 0/1/2具體指向哪里

一個進程的0/1/2文件描述符具體指向什么文件，是受執(zhí)行環(huán)境及命令參數(shù)影響的，下面我們就舉幾個常見的例子，再配合一些圖，來看看0/1/2具體指向哪里。

0x07 在terminal emulator中執(zhí)行hello程序

上圖中，我們在terminal emulator中執(zhí)行hello程序，該操作產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，是按圖中實線箭頭方向流動的。

我們在terminal emulator中輸入./hello命令，該命令沿著內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達bash的標準輸入。

bash從標準輸入中讀取./hello命令，然后調(diào)用fork函數(shù)，新建一個子進程，用于執(zhí)行hello程序。

hello程序執(zhí)行時，會先向標準輸出寫hello字符串，然后再向標準錯誤輸出寫world字符串。

這兩個字符串會沿著內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達terminal emulator的pty master fd。

terminal emulator從pty master fd中讀取這些字符串，并顯示在界面上。

這種情況下，hello進程的0/1/2文件描述符，都是指向內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道的slave端，并且通過該pty數(shù)據(jù)通道和terminal emulator交互。

0x08 在ssh中執(zhí)行hello程序

上圖中，我們先用ssh命令登陸到機器2，然后再在terminal emulator中輸入./hello命令，圖中實線表示該操作產(chǎn)生數(shù)據(jù)的流動方向。

當我們在terminal emulator中輸入./hello命令后，該命令會沿著內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達ssh進程的標準輸入。

ssh進程從標準輸入中讀取到./hello命令，然后將其寫到socket fd里。

然后，該命令會沿著socket fd指向的tcp連接，到達機器2的對應(yīng)socket端。

在機器2上，sshd進程從它的socket fd中讀取到./hello命令，然后將其寫到pty master fd中。

這樣，該命令又會沿著機器2的內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達bash進程的標準輸入。

機器2上的bash進程，從標準輸入中讀到該命令，然后調(diào)用fork函數(shù)，創(chuàng)建一個子進程，用于執(zhí)行hello程序。

hello程序執(zhí)行時，會寫hello到標準輸出，寫world到標準錯誤輸出，這兩個字符串又會沿著機器2的內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達sshd進程的pty master fd。

sshd進程從pty master fd中讀取到hello進程輸出的內(nèi)容，并寫到socket fd里。

該數(shù)據(jù)又沿著socket fd指向的tcp連接，最終會到達機器1對應(yīng)的socket端。

機器1中的ssh進程，從socket fd里讀取到hello程序的輸出內(nèi)容，并將其寫到標準輸出。

該數(shù)據(jù)會沿著機器1的內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達terminal emulator的pty master fd。

terminal emulator從pty master fd中讀取到對應(yīng)的數(shù)據(jù)，最終將其顯示在界面上。

以上就是這張圖的完整流程。

在這種情況下，hello進程的0/1/2文件描述符，指向的都是機器2上的pty數(shù)據(jù)通道的slave端，該端會再經(jīng)過一系列的鏈路，最終和機器1上的terminal emulator連接起來。

也就是說，我們在機器1上的terminal emulator中輸入內(nèi)容，最終會被機器2上的hello進程從標準輸入讀出來，而機器2上hello進程的各種輸出，最終會被傳送到機器1上的terminal emulator進程，并在其界面上顯示出來。

0x09 在ssh中執(zhí)行hello程序并重定向標準輸出

這種情況和上面講的情況基本類似，只是額外把hello進程的標準輸出重定向到了a.log文件，這里就不多講了，具體可見圖中內(nèi)容。

編輯：黃飛

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