深入理解标准输入输出设备

Image （题图来自Linux中/usr/include/unistd.h）

今天回归技术，我来尝试解释几个计算机技术中的基础概念。写技术入门的文章，我目前经验还有限，语言表达可能存在冗繁晦涩，还请各位包涵，我会继续努力锻炼并提高自己，也真心希望这类分享能对某些入门者有用。

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记得很久很久以前，我刚学习计算机那会儿，就见过一个示意图，展示了组成计算机的五大基本部件：控制器、运算器、存储器、输入及输出。我凭记忆画了一个：

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这图虽然简单，但我一开始的理解，却奔着错误的方向，闹了笑话。我错误地试图把这五个框，跟五个看得见摸得着的实体部件进行等同关联。于是：键盘是“输入”，打印机是“输出”，这两样也还算正常。接下来，能够存储文件数据的，当然就是从软驱中吐出的磁盘盘片了，这是“存储器”，倒也勉强说得通。紧接着，胖乎乎的卧式主机成了“运算器”，蹲在主机上的大脑袋显示器成了“控制器”，这就很离谱了。

我特意从网上找了一个比较接近的老式电脑的照片，来供各位感受下我当时是如何“直观”误解的：

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（图片来自网络）

终于，在经过后来的很长时间，学习了各种计算机语言后，我才逐步纠正了最初的误解，并将相应的知识概念，与其对应的正确理解，重新进行了关联。上述五个部件，其实更多是在描述CPU和主板（当然也包括主板上插着的其他板卡，如内存条）的最基础功能，是逻辑上的示意框图。

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在这五个部件中，横向相连的三个方框，所组成的一条信息流，却诠释了贯穿所有计算机程序的普适逻辑：

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任何程序都逃不开这个逻辑。

Linux系统的设计，源自更早的Unix系统，遵循着一些简单而富有强大可伸缩性的理念，堪称艺术。举个例子，最普遍的文本处理功能，Linux并不是一次性设计一个极其复杂的程序，包罗万象各种琐碎功能。相反，它把这些功能拆解开来，简化成一个个独立的单一命令，分别实现，然后用一套灵活的命令执行方法将其组合起来，完成各种复杂的需求目的。比如，head命令只截取文件的前N行，tail命令只截取文件末尾N行，grep只进行搜索，wc只进行计数。

这些简单命令，都遵循一个基础约定，所处理的数据，缺省来自键盘输入，即“标准输入设备（standard input，简写为stdin）”，而处理完成的结果，也缺省丢到屏幕上进行显示，即“标准输出设备（standard output，简写为stdout）”。而通过管道操作，用户可以轻易用磁盘上的某个文件，替换键盘或屏幕，作为输入或输出。

当然，任何程序都有可能出错，如何帮助用户更好地监控程序是否出错呢？于是就有必要让程序对外有个输出错误信息的途径。这就是“标准错误设备（standard error output，简写为stderr）”

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关于stdin、stdout和stderr的设定，虽然源于Unix或Linux，但因为这两个系统都是由C语言写成。而C语言的经典江湖地位，使得这样一个设定深入人心，也扩散到其他各类操作系统中，获得直达底层的特别支持。

如下的C语言代码，可以在不同的系统上得到同样的表现：

#include <stdio.h>

void foo() { fprintf(stdout, “write to standard output.\n”); fprintf(stderr, “write to standard error output.\n”); } 其他高级语言也类似，在读写文件的函数中，必然有关于文件的句柄或描述符，是可以被替换成为预定义的 stdin 、 stdout 或 stderr 的（不同语言可能在名称上存在细微差别）。

而如题图所示，这三个标准输入输出设备，其文件描述符（在操作系统底层一般会定义为一个整数），通常分别被定义为 0、1 和 2。

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在Linux中，各种外部设备都会映射成为文件，这简化了编程接口的设计，使对所有设备的控制，都可以采用文件读写的方式进行。标准输入输出设备也不例外，下图展示了它们的设备文件信息：

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这里，我们又一次看到了这三个设备的预定义数字 0、1 和 2。

这三个数字很重要，是因为我们在使用shell命令时，也经常会与它们相遇，甚至有时候需要借助它们，才能实现期望的功能。

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最后，来看一些实际命令，体会下与标准输入输出设备的相关用法：

$ cat 上述命令执行后，会等待键盘（即缺省标准输入设备）的输入，并在回车后，将所输入的内容，重新输出到屏幕（即缺省标准输出设备）。按下 Ctrl+C 或 Ctrl+D 即可退出该命令。 $ cat > test.txt 上述命令执行后，同样会等待键盘输入，但不同的是，这次所输入的内容，将会写入文件 test.txt 中，而不会输出到屏幕。 $ echo “this is to stdout” $ echo “this is to stderr” 1>&2 上面两行命令，都是用 echo 命令来输出相应文本的。第一条命令输出到缺省的“标准输出设备stdout”，这很容易理解。而第二条命令，因为末尾加了一个“1>&2”，它表示把文件描述符 1 更换对接到 文件描述符 2 上，还记得前面提及的数字表示么，这就是把“标准输出设备”重定向到“标准错误设备”，也就是说，这条命令是把文本输出到了“标准错误设备”。 这是 shell 脚本中最常用到的写法，经常会用它把一些程序运行状态输出出来，方便导入到日志中，而不是错误地写到了输出结果文件中。 $ XXX –help 在Linux中，若遇到不会使用的命令，我们经常需要查看其帮助文档，最简单的做法，是使用上述形式，加一个“–help”的参数。如果帮助内容很多，屏幕会哗哗刷过大量信息，什么都看不清。这时管道就可以帮上大忙： $ XXX –help | less 有时候，这个方法并不好使，似乎帮助信息还是转瞬即逝，那是由于这些命令把帮助信息丢到了 stderr 而非 stdout。有两个方法可以解决这种问题： $ XXX –help 2>&1 | less $ XXX –help |& less 前一条命令，使用“2>&1”进行了从“标准错误”到“标准输出”的重定向；而后一条命令，则使用了“|&”，说明该管道后面接的命令，将以其“标准错误”作为数据输入源。 最后，再来个技巧性很强的：如果想要交换“标准输出”和“标准错误”（这是个有点奇怪，但偶尔遇到时，可能还真有点挑战的需求），则可以用如下命令： $ bash test.sh 3>&2 2>&1 1>&3- 它用了一个文件描述符 3 做中转，交换了两者，而末尾的“-”，表示最终把 3 这个临时文件描述符给关掉，然后就完美实现了两个设备的交换。

注：本文首发表于“不靠谱颜论”公众号，并同步至本站。