linux技術(shù)：什么是標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出文件

0x01 什么是標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出

準(zhǔn)確來講，該問題應(yīng)該是什么是標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出。

在linux下，它們其實(shí)就是三個(gè)文件描述符，其中標(biāo)準(zhǔn)輸入是0，標(biāo)準(zhǔn)輸出是1，標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出是2。

該定義我們也可以在各個(gè)編程語言中看到。

比如，這是rust標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出的定義：

其中，libc::STDIN_FILENO, libc::STDOUT_FILENO, libc::STDERR_FILENO對(duì)應(yīng)的值分別為：

比如，這是go標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出的定義：

其中，syscall.Stdin, syscall.Stdout, syscall.Stderr對(duì)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(huì)對(duì)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?yàn)檫M(jìn)程文件描述符是從0開始依次遞增的，所以就用了前三個(gè)。

0x03 為什么要有這種約定

這是因?yàn)?，只有有了這種約定，linux世界的各個(gè)組件之間才能相互合作。

比如，在terminal emulator，即終端模擬器，中啟動(dòng)bash子進(jìn)程時(shí)，因?yàn)橹纀ash的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出/錯(cuò)誤輸出分別是0/1/2，那它就可以把bash子進(jìn)程的0/1/2文件描述符都指向自己，這樣當(dāng)bash做標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出操作時(shí)，它其實(shí)都是在和terminal emulator交互。

又比如，當(dāng)bash要執(zhí)行某個(gè)程序時(shí)，因?yàn)樗滥繕?biāo)程序所使用的編程語言，把標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出/錯(cuò)誤輸出分別定義為0/1/2，這樣當(dāng)我們要求bash把目標(biāo)程序的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出/錯(cuò)誤輸出重定向到其他文件時(shí)，bash只需要修改目標(biāo)程序進(jìn)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(gè)文件描述符而不是一個(gè)

上面我們講到，bash進(jìn)程的0/1/2文件描述符都指向terminal emulator，其實(shí)這個(gè)說法并不準(zhǔn)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(gè)在上篇文章?為什么Ctrl-C會(huì)中斷當(dāng)前運(yùn)行程序中有詳細(xì)講過。

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

同樣，bash中運(yùn)行的其他程序，默認(rèn)情況下，其進(jìn)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(gè)terminal emulator。

既然進(jìn)程的0/1/2文件描述符，默認(rèn)都指向同一個(gè)terminal emulator，那為什么不只用一個(gè)文件描述符來表示它們的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出/錯(cuò)誤輸出，而是要用三個(gè)呢，這不是浪費(fèi)了進(jìn)程的文件描述符嗎？

原因也很簡單，這樣做更靈活。

雖然默認(rèn)情況下，進(jìn)程的0/1/2都指向了同一個(gè)terminal emulator，但它給了我們一種能力，使我們可以把進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出/錯(cuò)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(huì)把hello程序的標(biāo)準(zhǔn)輸出重定向到了a.log里，而標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)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(gè)socket，創(chuàng)建一個(gè)epoll實(shí)例，又或者是打開一個(gè)普通文件，所有的這些操作創(chuàng)建的目標(biāo)對(duì)象，在內(nèi)核里最終都是以一個(gè)file實(shí)例來表示的，該file實(shí)例會(huì)存放到進(jìn)程的一個(gè)文件數(shù)組中，而該數(shù)組的下標(biāo)，就是文件描述符，即fd。

該fd值，會(huì)隨著我們使用的系統(tǒng)調(diào)用，返回給用戶程序，當(dāng)用戶程序想對(duì)目標(biāo)文件進(jìn)行各種操作時(shí)，執(zhí)行該操作對(duì)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(duì)應(yīng)的file實(shí)例，進(jìn)而就可以執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作了。

0x06 0/1/2具體指向哪里

一個(gè)進(jìn)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(gè)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(shí)線箭頭方向流動(dòng)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(dá)bash的標(biāo)準(zhǔn)輸入。

bash從標(biāo)準(zhǔn)輸入中讀取./hello命令，然后調(diào)用fork函數(shù)，新建一個(gè)子進(jìn)程，用于執(zhí)行hello程序。

hello程序執(zhí)行時(shí)，會(huì)先向標(biāo)準(zhǔn)輸出寫hello字符串，然后再向標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出寫world字符串。

這兩個(gè)字符串會(huì)沿著內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達(dá)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(jìn)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(jī)器2，然后再在terminal emulator中輸入./hello命令，圖中實(shí)線表示該操作產(chǎn)生數(shù)據(jù)的流動(dòng)方向。

當(dāng)我們在terminal emulator中輸入./hello命令后，該命令會(huì)沿著內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達(dá)ssh進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入。

ssh進(jìn)程從標(biāo)準(zhǔn)輸入中讀取到./hello命令，然后將其寫到socket fd里。

然后，該命令會(huì)沿著socket fd指向的tcp連接，到達(dá)機(jī)器2的對(duì)應(yīng)socket端。

在機(jī)器2上，sshd進(jìn)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(huì)沿著機(jī)器2的內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達(dá)bash進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入。

機(jī)器2上的bash進(jìn)程，從標(biāo)準(zhǔn)輸入中讀到該命令，然后調(diào)用fork函數(shù)，創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，用于執(zhí)行hello程序。

hello程序執(zhí)行時(shí)，會(huì)寫hello到標(biāo)準(zhǔn)輸出，寫world到標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出，這兩個(gè)字符串又會(huì)沿著機(jī)器2的內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達(dá)sshd進(jìn)程的pty master fd。

sshd進(jìn)程從pty master fd中讀取到hello進(jìn)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(huì)到達(dá)機(jī)器1對(duì)應(yīng)的socket端。

機(jī)器1中的ssh進(jìn)程，從socket fd里讀取到hello程序的輸出內(nèi)容，并將其寫到標(biāo)準(zhǔn)輸出。

該數(shù)據(jù)會(huì)沿著機(jī)器1的內(nèi)核pty數(shù)據(jù)通道，到達(dá)terminal emulator的pty master fd。

terminal emulator從pty master fd中讀取到對(duì)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(jìn)程的0/1/2文件描述符，指向的都是機(jī)器2上的pty數(shù)據(jù)通道的slave端，該端會(huì)再經(jīng)過一系列的鏈路，最終和機(jī)器1上的terminal emulator連接起來。

也就是說，我們在機(jī)器1上的terminal emulator中輸入內(nèi)容，最終會(huì)被機(jī)器2上的hello進(jìn)程從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀出來，而機(jī)器2上hello進(jìn)程的各種輸出，最終會(huì)被傳送到機(jī)器1上的terminal emulator進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)輸出