不同作業系統所暴露出的介面是不同的，因此Linux下的一些系統呼叫介面是無法移植到Windows下的，

一、C語言中的檔案介面

在C語言檔案操作時學過檔案介面C語言中的檔案介面

這里補充一些內容：

檔案=內容+屬性
stdin:標準輸入（鍵盤）
stdout:標準輸出（顯示幕）
stderr:標準錯誤（顯示幕）

Linux下一切皆檔案，所以stdin，stdout，stderr也是可以當做檔案看待，被fopen打開，
這是因為語言是人和計算機互動的載體，所以任何一門語言都需要標準輸入、輸出和錯誤

之所以能直接使用printf和scanf這種輸出到顯示幕和從鍵盤輸入的函式，是因為C語言默認幫助我們打開了這三個標準輸入和輸出的設備，

用下面的代碼驗證:

可以看到普通檔案和顯示幕檔案在代碼層面上是沒有差別的，

二、系統檔案I/O

2.1.系統呼叫介面

操作檔案，除了上述C介面（當然，C++也有介面，其他語言也有），我們還可以采用系統介面來進行檔案訪問，使用man手冊可以查看他們：

fd:要打開檔案的描述符
buf:寫入/讀入的字串指標
count:寫入/讀入字符的個數（位元組數）

實際上，我們上面用的C語言檔案介面，在底層用的就是系統呼叫的介面：

系統呼叫的介面只有一套，和系統有關，而庫函式可以有多個（C語言檔案介面，C++檔案介面等），語言層的庫函式檔案介面都是基于系統呼叫介面進行的封裝，

由于顯示幕是硬體，硬碟也是硬體，所以任何語言的檔案操作最終都要通過作業系統進行對硬體的寫入，

open

通過mani手冊可以查看用法：

要包含的頭檔案：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

打開的檔案存在，使用下面的介面：
 int open(const char *pathname, int flags);
打開的檔案不存在，使用下面的介面：
 int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

引數：
pathname：要打開檔案的名字

flags：打開檔案的方式
   O_RDONLY :只讀方式
   O_WRONLY :只寫方式
   O_RDWR :讀寫方式
可選項：
    O_TRUNC :截斷檔案（清空檔案內容)
    O_CREAT :檔案不存在則創建檔案
    O_APPEND :追加的方式
    O_EXCL | O_CREAT :如果檔案存在，則打開檔案失敗
    
mode:創建檔案時的權限（八進制，比如0664等）

回傳值：
成功：新打開的檔案描述符
失敗：-1

可選項的原理：

所有選項對應的數在轉成二進制后只有一個位元位為1且為1的二進制位是不同的，所以傳多個選項的時候實際上是對傳入的數進行按位或處理，最后傳給flags的是一個數，這個數有一個或多個位元位為1，

以下面的代碼為例：

2.2.檔案描述符fd（file descriptor）

可以看到打開成功后各自的回傳值是3 4 5，，，
打開失敗回傳值則為-1
這些回傳值叫做檔案描述符，在系統層面是一個整數，從0開始，
其中：0為標準輸入，1為標準輸出，2為標準錯誤，這三個默認被打開

檔案描述符的本質是陣列下標，作業系統為每一個行程維護了一個檔案描述符表，該表的索引值都從從0開始的，索引值都有一個指標指向對應的檔案：

一個行程如何通過檔案描述符找到檔案：當行程執行write(4,"hello",5)時，行程先找到自己的PCB，PCB中包含檔案描述符表（struct files_struct），然后通過索引下標4找到對應的檔案，

所以如果將檔案描述符為0（標準輸入）的關掉，則分配的下標為0：

可以看出檔案描述符的分配規則為：在files_struct陣列當中，找到當前沒有被使用的最小的一個下標，作為新的檔案描述符，

另外，要記得關閉檔案描述符，否則會造成檔案描述符泄漏，因為檔案描述符表（陣列）是有上限的，

2.3.補充內容–函式指標訪問硬體

不同的硬體訪問方式是不一樣的，對于外設訪問的方式一般是讀和寫，但是實作代碼是不一樣的，此時行程就可以通過函式指標的方式來指向它們各自的實作方法：

2.4.重定向的實作原理

重定向有兩個運算子分別是>（格式化重定向）和>>（追加重定向），其實作原理就是作業系統內核把標準輸出（1）關掉，然后打開對應的檔案，此時該檔案的下標就是1，應用層默認輸入到下標為1的檔案中，所以就輸入到該檔案中了，至于追加重定向則是在打開的時候加上選項O_APPEND，

三、FILE

檔案指標中那個FILE本質是一個結構體，這個結構體中一定是包含檔案描述符（fd）的，因為訪問檔案都是通過fd訪問的，

對于下面的代碼：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
 const char *msg0="hello printf\n";
 const char *msg1="hello fwrite\n";
 const char *msg2="hello write\n";
 printf("%s", msg0);
 fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);
 write(1, msg2, strlen(msg2));
 fork();
 return 0;
}

如果對結果重定向，printf和 fwrite（庫函式）都輸出了2次，而write只輸出了一次（系統呼叫），

這是因為重定向影響了緩沖方式：
顯示幕采用的是行緩沖（遇到\n就重繪）
檔案采用的則是全緩沖（緩沖區資料寫滿才重繪）

沒有重定向之前是往顯示幕寫，而重定向則是往檔案中寫，

• 一般C庫函式寫入檔案時是全緩沖的，而寫入顯示幕是行緩沖，
• printf、fwrite庫函式會自帶緩沖區，當發生重定向到普通檔案時，資料的緩沖方式由行緩沖變成了全緩沖，
• 全緩沖行程退出之后，會統一重繪，寫入檔案當中，
• fork的時候，父子資料會發生寫時拷貝，資料被暫存在緩沖區中，因此子行程也就有了同樣的一份資料，即產生兩份資料，
• 由于父子行程的緩沖區中有兩份一樣的資料，所以會重繪兩份，
• write 沒有重繪兩份，說明沒有所謂的緩沖區，

我們這里所說的緩沖區，都是用戶級緩沖區，printf和fwrite是庫函式， write是系統呼叫，庫函式在系統呼叫的“上層”， 是對系統呼叫的“封裝”，但是write沒有緩沖區，而 printf和fwrite有，足以說明，該緩沖區是二次加上的，由C標準庫提供，

另外fflush函式也在C標準庫中，將用戶級的緩沖區往系統中重繪：

下面是FILE的代碼：
typedef struct _IO_FILE FILE; 在/usr/include/stdio.h

struct _IO_FILE {
 int _flags; /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags
 //緩沖區相關
 /* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */
 /* Note: Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */
 char* _IO_read_ptr; /* Current read pointer */
 char* _IO_read_end; /* End of get area. */
 char* _IO_read_base; /* Start of putback+get area. */
 char* _IO_write_base; /* Start of put area. */
  char* _IO_write_ptr; /* Current put pointer. */
 char* _IO_write_end; /* End of put area. */
 char* _IO_buf_base; /* Start of reserve area. */
 char* _IO_buf_end; /* End of reserve area. */
 /* The following fields are used to support backing up and undo. */
 char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
 char *_IO_backup_base; /* Pointer to first valid character of backup area */
 char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */
 struct _IO_marker *_markers;
 struct _IO_FILE *_chain;
 int _fileno; //封裝的檔案描述符
#if 0
 int _blksize;
#else
 int _flags2;
#endif
 _IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small. */
#define __HAVE_COLUMN /* temporary */
 /* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */
 unsigned short _cur_column;
 signed char _vtable_offset;
 char _shortbuf[1];
 /* char* _save_gptr; char* _save_egptr; */
 _IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};

四、dup 重定向

上面的重定向是將標準輸出的fd關掉，然后打開重定向的檔案，
而使用dup2函式就不需要關掉標準輸出：

dup函式的作用是，回傳一個新的檔案描述符（可用檔案描述符的最小值）newfd，并且新的檔案描述符newfd指向oldfd所指向的檔案表項，
比如：

檔案描述符為1的檔案通過dup重定向到檔案描述符1上，那么也就相當于檔案描述符3對應的檔案也是顯示幕檔案，那么向檔案描述符3進行write，最終結果也會列印在顯示幕上，

4.1.使用dup2 完成重定向

dup2有兩個引數oldfd和newfd，newfd是oldfd的拷貝，將newfd重定向到oldfd，當整個函式呼叫成功后，會將newfd關掉，然后讓newfd指向oldfd，總之，dup2函式的作用就是讓newfd重定向到oldfd所指的檔案表項上，如果出錯就回傳-1，否則回傳的就是newfd，所以如果想讓原本輸出到顯示幕上的資料重定向到檔案中，可以這樣寫：

4.2.重定向恢復

在進行重定向后，如果想要恢復到重定向之前的狀態，可以在重定向之前用dup函式保留該檔案描述符對應的檔案表項，然后在需要恢復重定向的時候使用dup2重定向到原來的檔案表項，以重定向后恢復標準輸出為例，如下所示：

4.3.在my_shell中添加重定向功能

其實作原理是在子行程進行程式替換之前將標準輸出（1）重定向到打開的檔案中，

#include<stdio.h>              
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<ctype.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define SIZE 256
#define NUM 16 //命令列引數的個數

void redirect(char* cmd)
{
  int fd=-1;
  int redirect_count=0;//記錄>的個數
  char*file=NULL;
  char*ptr=cmd;
  while(*ptr)
  {
    if(*ptr=='>')
    {
      *ptr++='\0';
      redirect_count++;
      if(*ptr=='>')
      {
        *ptr++='\0';
        redirect_count++;
      }
      while(*ptr!='\0'&&isspace(*ptr))//跳過空格
      {
        ptr++;
      }
      file=ptr;//找到檔案名
      while(*ptr!='\0'&&!isspace(*ptr))//清空檔案名后面的空格
      {
        ptr++;
      }
      *ptr='\0';
      
      if(redirect_count==1){
        //>
        fd=open(file,O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY,0644);
      }
      else if(redirect_count==2){
        //>>
        fd=open(file,O_CREAT|O_APPEND|O_WRONLY,0644);   
      }
      else{
        //do nothing!
      }
      //檔案已經打開，用dup2重定向
      dup2(fd,1);
      close(fd);
    }//end if
    else if(*ptr=='<')
   { 
      //和重定向>類似
   }
    ptr++;
  }
  
}
int main()                                                                    
{
  char cmd[SIZE];
  const char* cmd_line="[my_shell@VM-0-16-centos ~]# ";
  while(1)
  {
    cmd[0]=0;

    printf("%s",cmd_line);
    fgets(cmd,SIZE,stdin);
    cmd[strlen(cmd)-1]='\0'; 
    pid_t id=fork();
    if(id<0)
    {
      perror("fork error!\n");
      continue;
    }
    if(id==0)//子行程
    {
      redirect(cmd);
      char*args[NUM];//將命令字串分割
      args[0]=strtok(cmd," ");
      int i=1;
	    do    
	    {    
	      args[i]=strtok(NULL," ");    
	      if(args[i]==NULL)    
	      {    
	        break;    
	      }    
	      i++;    
	    }while(1);   
     execvp(args[0],args);
     exit(1);
     }
    int status=0;
    pid_t ret=waitpid(id,&status,0);
    if(ret>0)
    {
      printf("status code:%d\n",(status>>8)&0xFF);
    }
  }
  return 0;
} 

總結

1. 作業系統提供系統呼叫介面（open，close，read，write），C語言對系統呼叫介面進行封裝
2. FILE*是個結構體指標，FILE是個結構體，有兩個比較重要的方面：檔案描述符和緩沖區（C語言提供）
3. fd是系統呼叫，fd是檔案描述符表（陣列）的下標，里面的內容是檔案指標指向檔案，系統默認打開0 1 2（標準輸入，標準輸出，標準錯誤）
4. 重定向的底層是將fd的指向改變