Bash中文件描述符的详细介绍

前言

Linux将所有内核对象当做文件来处理，系统用一个size_t类型来表示一个文件对象，比如对于文件描述符0就表示系统的标准输入设备STDIN，通常情况下STDIN的值为键盘，如read命令就默认从STDIN读取数据，当然STDIN的值是可以改变的，比如将其改成其他文件，这样的话想read等命令就会默认从相应的文件读取数据了。

简单地说，一个文件描述符可以和一个文件挂钩，一旦挂钩就可以通过取地址运算符&获得该文件的句柄，比如&0就可以获得STDIN设备在内存中的句柄（设备在系统中也被当做文件处理），可以这样理解，如果是一个shell中的普通变量var，可以通过$var的形式获得该变量所代表的值，而对于一个文件描述符fd，则可以通过&fd的形式获得文件描述符指向的文件的句柄，而这个句柄可以简单地理解成该文件的路径。

在 Shell 编程里经常会用到重定向操作, 它本质上是对文件描述符进行操作, 本文会对 Shell 脚本里的文件描述符做一个详细的介绍.

默认标准文件描述符

每个进程启动时默认都会有三个标准的文件描述符:

• stdin 0 号描述符, 代表输入设备, 进程从它读入数据;
• stdout 1 号描述符, 进程往其中写入数据;
• stderr 2 号描述符, 进程会往其中写入错误信息;

这三个描述符默认是对应同一个 tty 设备, 这样我们便可以在终端中输入数据和获取进程的输出.

默认的文件描述符也是可以被替换的, 例如我们可以替换掉 stdout 到一个文件, 这样命令的输出就不是打印到终端, 而是被输出到文件中:

在上面的 demo 中, 我们先是通过 exec 1 > /tmp/stdout 把 stdout 指向了文件 /tmp/stdout, 紧接着我们执行了两条命令 ls 和 pwd, 可以看到此时终端已经没有了命令的输出. 当我们通过 exec 1 >&2 恢复 stdout 后, 可以发现文件 /tmp/stdout 里存储了之前命令的输出.

其中 exec 是一个 bash 内置命令, 不同于在终端中执行命令时会 fork 一个子进程, 通过 exec 执行的命令会直接修改当前的 shell 进程, 可以通过它执行命令来修改当前 shell 的 context.

如果你想使坏的话可以在别人的 ~/.bashrc 里加入 exec 1 > /tmp/stdout, 这样新开的所有的终端窗口里都看不到命令的输出, 要是因此被打概不负责 :) .

文件描述符的操作

Shell 中对文件描述符的操作由三部分组成: (Left, Operation, Right):

• Left 可以是 0-9 的数字, 代表第 n 号文件描述符;
       Left 还可以为 &, 表示同时操作 stdout 和 stderr
• Right 可以是文件名或 0-9 的数字, 当 Right 是数字时必须要加上 & 符号, 表示引用第 n 号文件描述符;
       Right 还可以为 &-, 此时表示关闭 Left 描述符, 例如 2<&- 表示关闭 stderr;
• Operation 可以为 < 或 >;
       为 < 时表示以读模式复制 Right 到 Left, 此时如果没有指定 Left 的话, 则为默认值 0;
       当为 > 表示以写模式复制 Right 到 Left, 此时如果没有指定 Left 的话, 则为默认值 1;
       Operation 和 Left 之间不能有空格;
       当 Right 为文件名时, Operation 和 Right 可以有空格, 否则也不能有空格;

当存在多个文件描述符的操作时, 会按照从左往右的顺序依次执行. 例如通过命令 cmd 3>&1 1>&2 2>&3 3>&- 就可以交换 stdin 和 stdout.

我们通过下面的例子来验证上面的文件描述符交换是否生效:

• 首先把默认的 stderr 重定向到文件 /tmp/stderr 中, 这样在终端中就不会看到错误输出了;
• 当交换完 stderr 和 stdout 后, 我们就可以在 /tmp/stderr 文件中看到命令的正常输出了;

让我们来开始实验吧:

➜ test exec 2> /tmp/stderr
➜ test ls
a.txt
➜ test ls 3>&1 1>&2 2>&3 3>&-
➜ test cat /tmp/stderr
a.txt

和我们的预期时一致的!

一些示例

用文件重载 stdin :

➜ test cat 0< a.txt
hello
➜ test cat < a.txt # same with last command
hello

把 stderr 和 stdout 都过滤掉

ls not_exist 1> /dev/zero 2>&1
# another way
ls not_exist &> /dev/zero

处理上一个命令的错误输出:

➜ blog git:(hexo) ls not_exist 2>&1 | sed 's/not_exist/error/g'
ls: error: No such file or directory
# another way
➜ blog git:(hexo) ls not_exist |& sed 's/not_exist/error/g'
ls: error: No such file or directory

把标准输出转入到错误输出上: echo hello 1>&2

Process Substitution

在 bash 中提供了两个特殊的操作, 它们都可以被直接当成文件名使用:

• <(cmd) : 可以看作时一个可读文件, cmd 命令的输出是这个文件的内容;
• >(cmd) : 可以看作时一个可写文件, cmd 会接受输入并进行处理;

示例

利用 <(cmd) 来验证一对公私钥是否匹配:

➜ blog git:(hexo) diff <(ssh-keygen -y -e -f ~/.ssh/id_rsa) <(ssh-keygen -y -e -f ~/.ssh/id_rsa.pub)
➜ blog git:(hexo)

利用 >(cmd) 来对错误信息进行处理, 同时保证错 stderr 信息不回变成 stdout:

➜ blog git:(hexo) ls not_exist 2> >(sed 's/not_exist/keep_error/g')
ls: keep_error: No such file or directory
➜ blog git:(hexo)

总结

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对小牛知识库的支持。

References

• File Descriptors in Bourne shell
• Process Substitution